JP2005189147A - Ultrasonic flowmeter - Google Patents

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Takehiko Suginouchi
剛彦 杉ノ内
Masahiko Hashimoto
雅彦 橋本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ultrasonic flowmeter capable of highly accurate measurement by reducing a measurement error caused by resonant vibration of receiving ultrasonic vibrators. <P>SOLUTION: In this ultrasonic flowmeter, transmission/reception of an ultrasonic wave is performed, and the flow rate of a fluid moving along a passage is measured based on the propagation time difference between both directions of the ultrasonic wave. The flowmeter is equipped with a pair of ultrasonic vibrators 1, 2 functioning as a transmitter and a receiver of the ultrasonic wave respectively and arranged so as to form a propagation route of the ultrasonic wave in the fluid passage, a transmission part 51 for driving the transmitting ultrasonic vibrator functioning as the transmitter between the pair of ultrasonic vibrators, and a reception part 6 for adjusting the amplitude of a received signal by the ultrasonic wave received by the receiving ultrasonic vibrator functioning as the receiver between the pair of ultrasonic vibrators. The transmission part 51 drives the receiving ultrasonic vibrator at a different timing from the timing when the transmitting ultrasonic vibrator is driven for measuring the flow rate. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は超音波を用いて流体の流量を測定する超音波流量計および超音波による流量計測方法に関する。また、本発明はガスメータにも関する。   The present invention relates to an ultrasonic flowmeter that measures the flow rate of a fluid using ultrasonic waves and a flow measurement method using ultrasonic waves. The invention also relates to a gas meter.

超音波流量計は、構造が簡単である、機械的可動部分が少ない、流量の測定可能な範囲が広い、流量計による圧力損失がないなどの特徴を備えている。また、近年のエレクトロニクス技術の進歩によって、超音波流量計の計測精度を向上させることも可能になってきた。このため、ガスメータをはじめ、気体や液体の流量の計測が必要なさまざまな分野において、超音波流量計を用いる研究がなされている。   The ultrasonic flow meter has features such as a simple structure, a small number of mechanically movable parts, a wide range in which the flow rate can be measured, and no pressure loss due to the flow meter. In addition, recent advances in electronics technology have made it possible to improve the measurement accuracy of ultrasonic flowmeters. For this reason, research using an ultrasonic flowmeter has been made in various fields that require measurement of gas and liquid flow rates, including gas meters.

以下、従来の超音波流量計の構造および測定原理を説明する。図12は、従来の超音波流量計の一例を示すブロック図である。流体が流れる流路12を挟むように超音波振動子1および2が配置される。超音波振動子1および2は、それぞれ、送信器および受信器として機能する。具体的には、超音波振動子1を送信器として用いる場合には超音波振動子2を受信器として用い、超音波振動子2を送信器として用いる場合には超音波振動子1を受信器として用いる。図13において破線で示すように、超音波振動子1および2の間に形成される超音波の伝播路は流体の流れる方向に対して角度θだけ傾いている。   Hereinafter, the structure and measurement principle of a conventional ultrasonic flowmeter will be described. FIG. 12 is a block diagram showing an example of a conventional ultrasonic flowmeter. The ultrasonic vibrators 1 and 2 are arranged so as to sandwich the flow path 12 through which the fluid flows. The ultrasonic transducers 1 and 2 function as a transmitter and a receiver, respectively. Specifically, when the ultrasonic transducer 1 is used as a transmitter, the ultrasonic transducer 2 is used as a receiver, and when the ultrasonic transducer 2 is used as a transmitter, the ultrasonic transducer 1 is a receiver. Used as As shown by a broken line in FIG. 13, the propagation path of the ultrasonic wave formed between the ultrasonic vibrators 1 and 2 is inclined by an angle θ with respect to the fluid flow direction.

超音波振動子1から超音波振動子2へ超音波を伝播させる場合、超音波は流体の流れに対して順方向に進むため、その速度は速くなる。一方、超音波振動子2から超音波振動子1へ超音波を伝播させる場合、超音波は流体の流れに対して逆方向に進むため、その速度は遅くなる。従って、超音波振動子1から超音波振動子2へ超音波が伝播する時間と超音波振動子2から超音波振動子1へ超音波が伝播する時間との差から、流体の速度を求めることができる。また、流路12の断面積と流速との積から流量を求めることができる。   When the ultrasonic wave is propagated from the ultrasonic vibrator 1 to the ultrasonic vibrator 2, the ultrasonic wave advances in the forward direction with respect to the flow of the fluid, so that the speed is increased. On the other hand, when the ultrasonic wave is propagated from the ultrasonic vibrator 2 to the ultrasonic vibrator 1, the ultrasonic wave travels in the opposite direction with respect to the fluid flow, and therefore the speed is slow. Accordingly, the velocity of the fluid is obtained from the difference between the time for the ultrasonic wave to propagate from the ultrasonic vibrator 1 to the ultrasonic vibrator 2 and the time for the ultrasonic wave to propagate from the ultrasonic vibrator 2 to the ultrasonic vibrator 1. Can do. Further, the flow rate can be obtained from the product of the cross-sectional area of the flow path 12 and the flow velocity.

上述の原理に従って流体の流量を求める具体的な方法として、シングアラウンド法による計測方法を具体的に説明する。   As a specific method for obtaining the flow rate of the fluid in accordance with the above-described principle, a measurement method based on the single-around method will be specifically described.

図12に示すように、超音波流量計は送信部3および受信部6を備え、超音波振動子1が切り替え部10によって送信部3または受信部6の一方と選択的に接続される。この時、超音波振動子2は、超音波振動子1が接続されなかった送信部3または受信部6の他方と接続される。   As shown in FIG. 12, the ultrasonic flowmeter includes a transmission unit 3 and a reception unit 6, and the ultrasonic transducer 1 is selectively connected to one of the transmission unit 3 or the reception unit 6 by the switching unit 10. At this time, the ultrasonic transducer 2 is connected to the other of the transmission unit 3 or the reception unit 6 to which the ultrasonic transducer 1 is not connected.

送信部3と超音波振動子1とが接続される場合、送信部3が超音波振動子1を駆動し、発生した超音波は流体の流れを横切って超音波振動子2に到達する。超音波振動子2によって受信された超音波は、電気信号に変換され、受信信号が受信部6によって増幅される。受信信号のレベルをレベル検知部5で検知する。   When the transmission unit 3 and the ultrasonic transducer 1 are connected, the transmission unit 3 drives the ultrasonic transducer 1, and the generated ultrasonic wave reaches the ultrasonic transducer 2 across the flow of the fluid. The ultrasonic wave received by the ultrasonic transducer 2 is converted into an electric signal, and the received signal is amplified by the receiving unit 6. The level of the received signal is detected by the level detector 5.

図14は、従来の超音波流量計におけるゼロクロス検知の一例を示している。ピークホールド部13は、受信信号14からピークホールド信号15を生成する。レベル検知部5は、ピークホールド信号15が所定のレベル16に達したことを検知し、検知信号17を生成する。ゼロクロス検知部7は、検知信号17が生成された直後におけるゼロクロスポイントを検知し、ゼロクロス検知信号18を生成する。ゼロクロスポイントとは受信信号の振幅値が正から負、または、負から正へ変化する点をいう。このゼロクロスポイントを超音波振動子2において超音波が到達した時間としている。遅延部4は、ゼロクロス検知信号18を受け取った後、所定の時間が経過したタイミングでトリガ信号を生成する。繰り返し部8は、シングアラウンドによる計測を繰り返すかどうかを判断し、繰り返す場合には送信部3へトリガ信号を出力する。ゼロクロス検知信号38の生成からトリガ信号の生成までの時間を遅延時間と呼ぶ。   FIG. 14 shows an example of zero cross detection in a conventional ultrasonic flowmeter. The peak hold unit 13 generates a peak hold signal 15 from the received signal 14. The level detector 5 detects that the peak hold signal 15 has reached a predetermined level 16 and generates a detection signal 17. The zero cross detection unit 7 detects a zero cross point immediately after the detection signal 17 is generated, and generates a zero cross detection signal 18. The zero cross point is a point at which the amplitude value of the received signal changes from positive to negative or from negative to positive. This zero cross point is the time when the ultrasonic wave reaches the ultrasonic vibrator 2. The delay unit 4 generates a trigger signal at a timing when a predetermined time has elapsed after receiving the zero-cross detection signal 18. The repeater 8 determines whether or not to repeat the measurement by sing-around, and outputs a trigger signal to the transmitter 3 if it repeats. The time from the generation of the zero cross detection signal 38 to the generation of the trigger signal is called a delay time.

送信部3はトリガ信号に基づいて超音波振動子1を駆動し、次の超音波を発生させる。このように超音波の送信−受信−信号検知−遅延−送信のループを繰り返すことをシングアラウンドと呼び、この送受信ループの回数をシングアラウンド回数と呼ぶ 。   The transmission unit 3 drives the ultrasonic transducer 1 based on the trigger signal to generate the next ultrasonic wave. Repeating the ultrasonic transmission-reception-signal detection-delay-transmission loop in this manner is called sing around, and the number of transmission / reception loops is called sing around.

計時部9では、所定の回数、送受信ループを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果が流量算出部11へ送られる。次に、切り替え部10を切り替えて、超音波振動子2を送信器として用い、超音波振動子1を受信器として用いて、同様に計測を行う。   The time measuring unit 9 measures the time required to repeat the transmission / reception loop a predetermined number of times, and the measurement result is sent to the flow rate calculation unit 11. Next, the switching unit 10 is switched, and the ultrasonic transducer 2 is used as a transmitter and the ultrasonic transducer 1 is used as a receiver to perform the same measurement.

上述の方法によって計測した時間から遅延時間とシングアラウンド回数とを乗じた値を引き、さらにシングアラウンド回数で除した値が超音波の伝播時間となる。   A value obtained by subtracting a value obtained by multiplying the delay time and the number of sing-around times from the time measured by the above-described method, and further dividing the value by the number of sing-around times is the ultrasonic wave propagation time.

超音波振動子1を送信側にしたときの伝播時間をT1とし、超音波振動子2を送信側にしたときの伝播時間をT2とする。また、図13に示すように、超音波振動子1と超音波振動子2との間の距離をLとし、流体の流速および超音波の音速をそれぞれVおよびCとする。この時、T1およびT2は以下の式(1)で表される。   The propagation time when the ultrasonic transducer 1 is on the transmission side is T1, and the propagation time when the ultrasonic transducer 2 is on the transmission side is T2. Further, as shown in FIG. 13, the distance between the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2 is L, and the fluid flow velocity and the ultrasonic sound velocity are V and C, respectively. At this time, T1 and T2 are represented by the following formula (1).

Figure 2005189147
これらの式から流速Vは以下の式(2)で表される。
Figure 2005189147
From these equations, the flow velocity V is expressed by the following equation (2).

Figure 2005189147
Figure 2005189147

流体の流速Vが求まれば、流路14の断面積と流速Vとの積から流量Qが求まる。   If the flow velocity V of the fluid is obtained, the flow rate Q is obtained from the product of the cross-sectional area of the flow path 14 and the flow velocity V.

このような構造を備えた超音波流量計では、超音波振動子1と超音波振動子2との間における超音波の双方向の伝播時間差が流体の流速として計測される。このため、2つの超音波振動子に特性上の差異がある場合、計測誤差が生じる。   In the ultrasonic flowmeter having such a structure, a two-way propagation time difference of ultrasonic waves between the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2 is measured as a fluid flow velocity. For this reason, when there is a difference in characteristics between the two ultrasonic transducers, a measurement error occurs.

計測誤差を小さくする1つの方法は、特性が等しい2つの超音波振動子を用いることである。特性が等しい2つの超音波振動子を選択することは不可能ではない。しかし、適切な2つの超音波振動子を選択するためには、時間やコストを要する。このため、家庭用ガスメータなど、低コストで大量に生産することが求められる民生用の超音波流量計にはこの方法は適していない。   One method for reducing the measurement error is to use two ultrasonic transducers having the same characteristics. It is not impossible to select two ultrasonic transducers having the same characteristics. However, it takes time and cost to select appropriate two ultrasonic transducers. For this reason, this method is not suitable for consumer-use ultrasonic flowmeters that are required to be mass-produced at low cost, such as household gas meters.

計測誤差を小さくする他の方法として、特許文献1および特許文献2は、超音波振動子1および超音波振動子2側から見て、切り替え部10を含んだ送信部3の出力インピーダンスおよび受信部6の入力インピーダンスを等しくすることを開示している。この方法によれば、2つの超音波振動子に特性差が存在しても、超音波新装置1を受信器としたときおよび超音波振動子2を受信器としたときとで受信波に差異が生じないようにすることができる。
特許第1978010号 特許第2777084号
As another method for reducing the measurement error, Patent Document 1 and Patent Document 2 describe an output impedance and a reception unit of the transmission unit 3 including the switching unit 10 when viewed from the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2 side. 6 to make the input impedances equal. According to this method, even if there is a characteristic difference between two ultrasonic transducers, there is a difference in received waves between when the new ultrasonic device 1 is a receiver and when the ultrasonic transducer 2 is a receiver. Can be prevented from occurring.
Patent No. 1978010 Japanese Patent No. 2777084

しかしながら、本願発明者の研究によれば、送信回路側および受信回路側のインピーダンスを等しくして超音波流量計を作製しても、なお、計測誤差が生じることが分かった。詳細な検討の結果、この計測誤差は、送信用超音波振動子を駆動する駆動信号が受信用超音波振動子へ漏れることに起因することが分かった。   However, according to the research by the present inventor, it has been found that even if the ultrasonic flowmeter is manufactured by making the impedances on the transmission circuit side and the reception circuit side equal, a measurement error still occurs. As a result of detailed examination, it has been found that this measurement error is caused by a drive signal for driving the transmitting ultrasonic transducer leaking to the receiving ultrasonic transducer.

図15に示すように、上述の構造を有する超音波流量計では、送信部3および受信部6と超音波振動子1および超音波振動子2との接続を切り替え部10により行う。超音波振動子1および超音波振動子2のそれぞれは、送信部3にも受信部6にも切り替え部10によって接続される必要があるため、切り替え部10において、超音波振動子1および超音波振動子2にそれぞれ電気的に接続される配線は近接して配置される。このため、たとえは、送信部3が超音波振動子1と電気的に接続される場合であっても、送信部3と超音波振動子2とは寄生容量42を介して電気的に接続されている。その結果、送信部3から出力される駆動信号Stは、切り替え部10によって超音波振動子1へ出力されるとともに、寄生容量42を介して伝播する漏れ信号St’として超音波振動子2へも出力される。   As shown in FIG. 15, in the ultrasonic flowmeter having the above-described structure, the switching unit 10 connects the transmission unit 3 and the reception unit 6 to the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2. Since each of the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2 needs to be connected to the transmission unit 3 and the reception unit 6 by the switching unit 10, the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic wave are switched in the switching unit 10. The wirings that are electrically connected to the vibrator 2 are arranged close to each other. For this reason, even if the transmission unit 3 is electrically connected to the ultrasonic transducer 1, the transmission unit 3 and the ultrasonic transducer 2 are electrically connected via the parasitic capacitance 42. ing. As a result, the drive signal St output from the transmission unit 3 is output to the ultrasonic transducer 1 by the switching unit 10 and also to the ultrasonic transducer 2 as a leakage signal St ′ that propagates through the parasitic capacitance 42. Is output.

図16は、送信部3から駆動信号Stが出力される場合の超音波振動子1および超音波振動子2の振動による変位を示している。図において、横軸は時間を表している。図16に示すように、駆動信号Stによって超音波振動子1が振動するとき、寄生容量42を介して伝播する漏れ信号St’によって超音波振動子2も振動を開始する。つまり、受信側の超音波振動子2は、計測すべき流体を伝播してくる超音波を受信する前に振動を開始する。   FIG. 16 shows the displacement due to the vibration of the ultrasonic transducer 1 and the ultrasonic transducer 2 when the drive signal St is output from the transmission unit 3. In the figure, the horizontal axis represents time. As shown in FIG. 16, when the ultrasonic transducer 1 vibrates due to the drive signal St, the ultrasonic transducer 2 also begins to vibrate due to the leakage signal St ′ propagating through the parasitic capacitance 42. That is, the reception-side ultrasonic transducer 2 starts to vibrate before receiving the ultrasonic wave propagating through the fluid to be measured.

駆動信号Stによって振動した超音波振動子1は、流体へ超音波を送信する。一方、超音波振動子2では、駆動信号Stが減衰するにつれて漏れ信号St’も減衰するため、超音波振動子2の振動も減衰する。しかし、完全に振動が停止することはなく、超音波振動子2は、超音波振動子2自体の共振周波数で振動を続ける。その後、超音波振動子1から送信され、流体を伝播してきた超音波を受信して、受信信号Srとして超音波振動子1は振動する。このとき、漏れ信号St’に起因して生じていた共振振動と、受信信号Srとが重畳し、受信信号Srの波形は変形する。   The ultrasonic transducer 1 vibrated by the drive signal St transmits ultrasonic waves to the fluid. On the other hand, in the ultrasonic transducer 2, the leakage signal St ′ is also attenuated as the drive signal St is attenuated, so that the vibration of the ultrasonic transducer 2 is also attenuated. However, the vibration does not stop completely, and the ultrasonic vibrator 2 continues to vibrate at the resonance frequency of the ultrasonic vibrator 2 itself. Thereafter, the ultrasonic transducer 1 receives the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer 1 and propagated through the fluid, and the ultrasonic transducer 1 vibrates as a reception signal Sr. At this time, the resonance vibration generated due to the leakage signal St ′ and the reception signal Sr are superimposed, and the waveform of the reception signal Sr is deformed.

図17はこの場合におけるゼロクロス検知を説明している。漏れ信号St’に起因して生じていた共振振動成分25が受信信号14に重畳するため、超音波振動子2から受信信号として受信部6へ出力される信号は受信信号14’となる。このため、真のゼロクロス検知時刻26から遅れた時刻27がゼロクロス検知時刻となる。   FIG. 17 illustrates zero cross detection in this case. Since the resonance vibration component 25 generated due to the leakage signal St ′ is superimposed on the reception signal 14, the signal output from the ultrasonic transducer 2 to the reception unit 6 as the reception signal is the reception signal 14 ′. For this reason, the time 27 delayed from the true zero cross detection time 26 becomes the zero cross detection time.

このような誤差は、超音波振動子2を送信器として用いる場合にも生じる。また、共振振動成分25は超音波振動子の特性ごとに異なる。したがって、2つの超音波振動子の特性が完全に等しくなければこのような漏れ信号に基づく、計測誤差が生じる。   Such an error also occurs when the ultrasonic transducer 2 is used as a transmitter. Further, the resonance vibration component 25 is different for each characteristic of the ultrasonic vibrator. Accordingly, if the characteristics of the two ultrasonic transducers are not completely equal, a measurement error based on such a leakage signal occurs.

本願発明者の検討によれば、たとえば、超音波流量計が家庭用ガスメータに用いられるものである場合、漏れ信号に起因して生じていた共振振動成分25の振幅が受信信号14に対して−68dB(約10000分の4)であっても、最大で0.4L/hの計測誤差を引き起こす。家庭用ガスメータは、ガス漏れを検知する機能も求められており、1L/h程度の流量に基づいてガス漏れの判別を行うため、漏れ信号による計測誤差は、ガス漏れ検知に影響が生じる程度に十分大きな値となる。   According to the study of the present inventor, for example, when the ultrasonic flowmeter is used for a household gas meter, the amplitude of the resonance vibration component 25 caused by the leakage signal is − Even 68 dB (about 4 / 10,000) causes a measurement error of 0.4 L / h at the maximum. Household gas meters are also required to have a function of detecting gas leaks. Since gas leaks are discriminated based on a flow rate of about 1 L / h, the measurement error due to the leak signal has an effect on gas leak detection. A sufficiently large value.

本発明は、このような従来技術の問題を解決し、計測誤差の小さい超音波流量計を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve such problems of the prior art and to provide an ultrasonic flowmeter with a small measurement error.

本発明の超音波流量計は、超音波の送受信を行い、前記超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体が流路を移動する流量を計測する。超音波流量計は、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子のうち前記送信器として機能している送信用超音波振動子を駆動する送信部と、前記一対の超音波振動子のうち前記受信器として機能している受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部とを備え、前記送信部は、流量を計測するために前記送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで前記受信用超音波振動子を駆動する。   The ultrasonic flowmeter of the present invention transmits and receives ultrasonic waves, and measures the flow rate at which the fluid moves in the flow path based on the two-way propagation time difference of the ultrasonic waves. Each of the ultrasonic flowmeters functions as an ultrasonic transmitter and receiver, and a pair of ultrasonic transducers arranged so as to form the ultrasonic wave propagation path in a fluid flow path, and the pair of ultrasonic flowmeters A transmitting unit that drives a transmitting ultrasonic transducer that functions as the transmitter, and a receiving ultrasonic vibration that functions as the receiver of the pair of ultrasonic transducers A reception unit that adjusts the amplitude of the reception signal by the ultrasonic wave received by the child, and the transmission unit is configured to receive the reception signal at a timing different from a timing at which the transmission ultrasonic transducer is driven to measure a flow rate. Drive the ultrasonic transducer.

ある好ましい実施形態において、前記送信部は、前記受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減するように前記受信用超音波振動子を駆動する。   In a preferred embodiment, the transmission unit drives the reception ultrasonic transducer so as to reduce the influence of resonance vibration of the reception ultrasonic transducer.

ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子を駆動するタイミングを異ならせて、複数回超音波を送信することにより、一方向の超音波の伝播時間を求める。   In a preferred embodiment, the propagation time of the ultrasonic wave in one direction is obtained by transmitting the ultrasonic wave a plurality of times at different timings for driving the reception ultrasonic transducer.

また、本発明の超音波流量計は、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子と、前記一対の超音波振動子のうち前記送信器として機能している送信用超音波振動子を第1のタイミングで駆動する第1の駆動信号および前記一対の超音波振動子のうち前記受信器として機能している受信用超音波振動子を第2のタイミングで駆動する第2の駆動信号を出力する送信部と、前記受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部と、前記一対の超音波振動子間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記一対の超音波振動子の一方に前記送信部を接続し、前記一対の超音波振動子の他方に前記受信部を接続する切り替え部と、前記受信信号を検知する検知部とを備え、前記受信信号の検知に基づき、前記超音波が伝播経路を伝播する伝播時間を求め、双方向における前記伝播時間差から前記流体の流量を求める。   The ultrasonic flowmeter of the present invention is a pair of ultrasonic vibrations that function as an ultrasonic transmitter and a receiver, respectively, and are arranged so as to form the ultrasonic wave propagation path in the fluid flow path. A first drive signal for driving a transmitting ultrasonic transducer functioning as the transmitter among the pair of ultrasonic transducers at a first timing and the pair of ultrasonic transducers of the pair of ultrasonic transducers A transmission unit that outputs a second drive signal for driving a reception ultrasonic transducer functioning as a receiver at a second timing, and an amplitude of a reception signal by the ultrasonic wave received by the reception ultrasonic transducer The transmission unit is connected to one of the pair of ultrasonic transducers so that ultrasonic waves are transmitted and received bidirectionally between the reception unit for adjusting the frequency and the pair of ultrasonic transducers, and the pair of ultrasonic vibrations Connect the receiver to the other child And a detection unit that detects the received signal, and based on the detection of the received signal, obtains a propagation time for the ultrasonic wave to propagate through a propagation path, and determines the flow rate of the fluid from the propagation time difference in both directions. Ask.

ある好ましい実施形態において、超音波流量計は、シングアラウンド法により前記超音波の送受信を繰り返すことによって前記流体の流量を計測するために、前記検知部から受信信号を検知したことを示す検知信号を受け取り、所定の時間経過後に前記送信部へ次の第1および第2の駆動信号を出力するためのトリガ信号を出力する制御部をさらに有する。   In a preferred embodiment, the ultrasonic flowmeter has a detection signal indicating that a reception signal has been detected from the detection unit in order to measure the flow rate of the fluid by repeatedly transmitting and receiving the ultrasonic wave by a single-around method. And a controller that outputs a trigger signal for outputting the first and second drive signals to the transmitter after receiving a predetermined time.

ある好ましい実施形態において、前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて、前記第1のタイミングは一定であり、前記第2のタイミングは変化している。   In a preferred embodiment, in the repetition by the sing-around method, the first timing is constant and the second timing is changed.

ある好ましい実施形態において、前記第2のタイミングは、前記超音波振動子の共振周波数に基づいて定められている。   In a preferred embodiment, the second timing is determined based on a resonance frequency of the ultrasonic transducer.

ある好ましい実施形態において、前記第2のタイミングは前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化している。   In a preferred embodiment, the second timing is periodically changed in the repetition by the sing-around method.

ある好ましい実施形態において、前記シングアラウンド法による繰り返し回数は、前記第2のタイミングの周期的な変化が生じる回数の整数倍になっている。   In a preferred embodiment, the number of repetitions by the sing-around method is an integral multiple of the number of occurrences of the periodic change of the second timing.

ある好ましい実施形態において、前記第1の駆動信号によって送信された超音波を前記受信用超音波振動子が受信する前に前記第2の駆動信号が出力されるよう、前記第2のタイミングが定められている。   In a preferred embodiment, the second timing is determined so that the second drive signal is output before the reception ultrasonic transducer receives the ultrasonic wave transmitted by the first drive signal. It has been.

ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子の送信部による駆動は、前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との高インピーダンス接続によって、前記前記第2の駆動信号が前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力されることにより行われる。   In a preferred embodiment, the driving of the receiving ultrasonic transducer by the transmitting unit is performed by the second driving signal being generated by a high impedance connection between the receiving ultrasonic transducer and the transmitting unit in the switching unit. This is performed by being output from the transmitter to the ultrasonic transducer for reception.

ある好ましい実施形態において、前記送信部は、前記トリガ信号を受け取って前記第1の駆動信号を生成する第1の波形生成部と、前記トリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する遅延部と、前記遅延部から前記信号を受け取って、前記第2の駆動信号を生成する第2の波形生成部と、前記前記第1の駆動信号および前記第2の駆動信号を増幅する信号増幅部とを含む。   In a preferred embodiment, the transmission unit receives the trigger signal and generates the first drive signal, and receives the trigger signal and outputs a signal after a predetermined time has elapsed. A delay unit; a second waveform generation unit that receives the signal from the delay unit and generates the second drive signal; and a signal amplifier that amplifies the first drive signal and the second drive signal Part.

ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子の送信部による駆動は、前記切り替え部における前記受信器用超音波振動子と前記送信部との低インピーダンス接続によって、前記前記第2の駆動信号が前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力されることにより行われる。   In a preferred embodiment, the driving of the reception ultrasonic transducer by the transmission unit is performed by the low-frequency connection between the receiver ultrasonic transducer and the transmission unit in the switching unit. This is performed by being output from the transmitter to the ultrasonic transducer for reception.

ある好ましい実施形態において、前記送信部は、前記制御部と前記切り替え部との間に挿入され、前記トリガ信号を受け取って前記第1の駆動信号を生成する第1の駆動信号生成部と、前記トリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する遅延部と、
前記遅延部から前記信号を受け取って前記第2の駆動信号を生成し、前記第2の駆動信号を前記切り替え部へ出力する第2の駆動信号生成部と、前記第2の駆動信号生成部から第2の駆動信号が生成されている間、前記切り替え部と前記受信部との間の電気的接続を遮断するスイッチ部とを含む。
In a preferred embodiment, the transmission unit is inserted between the control unit and the switching unit, receives the trigger signal and generates the first drive signal, and the first drive signal generation unit, A delay unit that receives the trigger signal and outputs the signal after a predetermined time;
From the second drive signal generation unit that receives the signal from the delay unit, generates the second drive signal, and outputs the second drive signal to the switching unit, and from the second drive signal generation unit While the second drive signal is generated, the switch unit includes a switch unit that cuts off an electrical connection between the switching unit and the receiving unit.

本発明のガスメータは、上記いずれかに規定される超音波流量計を備えている。   The gas meter of the present invention includes the ultrasonic flow meter defined in any of the above.

本発明の超音波による流量計方法は、流体の流路中に超音波の伝播経路が形成されるよう、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能する一対の超音波振動子を配置し、前記伝播経路を伝播する超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体の流量を計測し、受信器として機能する受信用超音波振動子を前記送信器として用いる送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで駆動する。   In the ultrasonic flowmeter method of the present invention, a pair of ultrasonic transducers each functioning as an ultrasonic transmitter and a receiver are arranged so that an ultrasonic propagation path is formed in the fluid flow path. The flow rate of the fluid is measured based on the two-way propagation time difference of the ultrasonic wave propagating through the propagation path, and the transmitting ultrasonic transducer that uses the receiving ultrasonic transducer functioning as a receiver as the transmitter is driven. It is driven at a timing different from the timing to perform.

ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減するように前記受信用超音波振動子を駆動する。   In a preferred embodiment, the reception ultrasonic transducer is driven so as to reduce the influence of resonance vibration of the reception ultrasonic transducer.

ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子を駆動するタイミングを異ならせて、複数回超音波を送信することにより、一方向の超音波の伝播時間を求める。   In a preferred embodiment, the propagation time of the ultrasonic wave in one direction is obtained by transmitting the ultrasonic wave a plurality of times at different timings for driving the reception ultrasonic transducer.

ある好ましい実施形態において、シングアラウンド法により、前記超音波の送受信を複数繰り返し、繰り返しに要した合計の時間から前記超音波の伝播時間を求める。   In a preferred embodiment, the ultrasonic wave propagation time is obtained from the total time required for repetition by repeating the transmission / reception of the ultrasonic wave by a single-around method.

ある好ましい実施形態において、前記方法は、前記送信用超音波振動子を第1のタイミングで駆動する第1の駆動信号および前記受信用超音波振動子を第2のタイミングで駆動する第2の駆動信号を出力するステップを包含し、前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて、前記第1のタイミングを一定にし、前記第2のタイミングを変化させる。   In a preferred embodiment, the method includes a first drive signal for driving the transmission ultrasonic transducer at a first timing and a second drive for driving the reception ultrasonic transducer at a second timing. A step of outputting a signal, wherein the first timing is made constant and the second timing is changed in the repetition by the sing-around method.

ある好ましい実施形態において、前記第2のタイミングは、前記超音波振動子の共振周波数に基づいて定められている。   In a preferred embodiment, the second timing is determined based on a resonance frequency of the ultrasonic transducer.

ある好ましい実施形態において、前記第2のタイミングを前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化させる。   In a preferred embodiment, the second timing is periodically changed in repetition by the sing-around method.

ある好ましい実施形態において、前記シングアラウンド法による繰り返し回数は、前記第2のタイミングの周期的な変化が生じる回数の整数倍に設定する。   In a preferred embodiment, the number of repetitions by the sing-around method is set to an integral multiple of the number of times that the second timing is periodically changed.

ある好ましい実施形態において、前記第1の信号によって送信された超音波を前記受信用超音波振動子が受信する前に前記第2の信号が出力されるよう、前記第2のタイミングを定める。   In a preferred embodiment, the second timing is determined so that the second signal is output before the reception ultrasonic transducer receives the ultrasonic wave transmitted by the first signal.

ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子は、前記一対の超音波振動子と、前記第1および第2の駆動信号を生成する送信部および前記受信用超音波振動子により受信した受信信号の振幅を調節する受信部とを選択的に接続するための切り替え部を備え、前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との高インピーダンス接続によって、前記前記第2の信号を前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力させる。   In a preferred embodiment, the reception ultrasonic transducer includes the pair of ultrasonic transducers, a transmission unit that generates the first and second drive signals, and reception received by the reception ultrasonic transducer. A switching unit for selectively connecting a receiving unit that adjusts the amplitude of the signal, and the second signal is generated by a high impedance connection between the ultrasonic transducer for reception and the transmitting unit in the switching unit. Is output from the transmitter to the ultrasonic transducer for reception.

ある好ましい実施形態において、前記受信用超音波振動子は、前記一対の超音波振動子と、前記第1および第2の駆動信号を生成する送信部および前記受信用超音波振動子により受信した受信信号の振幅を調節する受信部とを選択的に接続するための切り替え部を備え、前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との低インピーダンス接続によって、前記前記第2の信号を前記送信部から前記受信器用超音波振動子へ出力させる。   In a preferred embodiment, the reception ultrasonic transducer includes the pair of ultrasonic transducers, a transmission unit that generates the first and second drive signals, and reception received by the reception ultrasonic transducer. A switching unit for selectively connecting a receiving unit that adjusts the amplitude of the signal, and the second signal is generated by a low impedance connection between the ultrasonic transducer for reception and the transmitting unit in the switching unit. Is output from the transmitter to the ultrasonic transducer for receiver.

本発明のコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、上記いずれかに規定される流量計測方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録している。   The computer-readable recording medium of the present invention records a program for causing a computer to execute the flow rate measuring method defined in any of the above.

本発明によれば、流量を計測するために送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで受信用超音波振動子を駆動する。このため、受信用超音波振動子の共振振動の位相を流体を伝播してきた超音波を受信することによって生じる振動の位相に対して調節することが可能となる。したがって、共振振動の位相を異ならせて、複数回受信することによって、共振振動の影響を低減することができ、測定誤差の小さい超音波流量計および超音波による流量計測方法が実現する。   According to the present invention, the reception ultrasonic transducer is driven at a timing different from the timing at which the transmission ultrasonic transducer is driven in order to measure the flow rate. For this reason, it becomes possible to adjust the phase of the resonance vibration of the ultrasonic transducer for reception with respect to the phase of vibration generated by receiving the ultrasonic wave propagating through the fluid. Therefore, the influence of the resonance vibration can be reduced by differentiating the phase of the resonance vibration and receiving a plurality of times, thereby realizing an ultrasonic flowmeter and an ultrasonic flow measurement method with a small measurement error.

(第1の実施形態)
図1は、本発明による超音波流量計の第1の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計101は、流体の流路12中に超音波の伝播経路を形成するように配置される第1の超音波振動子1および第2の超音波振動子2と、送信部51と、受信部6とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of an ultrasonic flowmeter according to the present invention. The ultrasonic flowmeter 101 includes a first ultrasonic transducer 1 and a second ultrasonic transducer 2 that are arranged so as to form an ultrasonic propagation path in the fluid flow path 12, a transmission unit 51, and the like. The receiving unit 6 is provided.

第1の超音波振動子1および第2の超音波振動子2は、それぞれが送信器および受信器として機能する。第1の超音波振動子1から送信された超音波は第2の超音波振動子2により受信され、第2の超音波振動子2から送信された超音波は第1の超音波振動子1により受信する。これら双方向の伝播路は、流路12を流れる流体の流れる方向に対して角度θをなしている。角度θの大きさは、10〜40度の範囲内から選択される。以下、受信器として用いられる場合の超音波振動子を受信用超音波振動子と呼び、送信用超音波振動子を送信用超音波振動子と呼ぶ。上述したように、超音波の伝播方向に応じて、第1の超音波振動子1および第2の超音波振動子2のそれぞれが、受信用超音波振動子となり、送信用超音波振動子となる。   The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 function as a transmitter and a receiver, respectively. The ultrasonic wave transmitted from the first ultrasonic transducer 1 is received by the second ultrasonic transducer 2, and the ultrasonic wave transmitted from the second ultrasonic transducer 2 is the first ultrasonic transducer 1. Receive by. These bidirectional propagation paths form an angle θ with respect to the flow direction of the fluid flowing through the flow path 12. The magnitude of the angle θ is selected from the range of 10 to 40 degrees. Hereinafter, an ultrasonic transducer used as a receiver is referred to as a receiving ultrasonic transducer, and a transmitting ultrasonic transducer is referred to as a transmitting ultrasonic transducer. As described above, according to the propagation direction of the ultrasonic wave, each of the first ultrasonic vibrator 1 and the second ultrasonic vibrator 2 becomes a receiving ultrasonic vibrator, Become.

第1の超音波振動子1および第2の超音波振動子2としては、厚み振動モード、横すべり振動モード、縦振動モード等の振動モードにより、おおよそ20kHz以上の周波数で駆動され、超音波流量計として従来から使用される種々の超音波振動子を用いることができる。測定すべき流体の状態や種類、また予測される流速に応じて最適な周波数が適宜選択される。本実施形態では、例えば厚み振動モードで振動し、500kHzの共振周波数をもつ超音波振動子が用いられる。   The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are driven at a frequency of approximately 20 kHz or more according to vibration modes such as a thickness vibration mode, a side-slip vibration mode, and a longitudinal vibration mode. As such, various conventionally used ultrasonic transducers can be used. The optimum frequency is appropriately selected according to the state and type of the fluid to be measured and the predicted flow velocity. In the present embodiment, for example, an ultrasonic vibrator that vibrates in a thickness vibration mode and has a resonance frequency of 500 kHz is used.

第1の超音波振動子1および第2の超音波振動子2は、切り替え部10を介して送信部51および受信部6に接続される。切り替え部10は、トグルスイッチのような機械的なものであってもよいし、電子部等により構成されるものであってもよい。送信部51と第1の超音波振動子1とが電気的に低インピーダンスで接続される時には、第2の超音波振動子2が受信部6と電気的に低インピーダンス(たとえば30Ω)で接続される。このとき、選択しない組み合わせである、送信部51および第2の超音波振動子2、ならびに、受信部6および第1の超音波振動子1は、図15を参照して説明したように、容量結合によって高インピーダンス(たとえば10kΩ)で接続される。つまり、送信部51および第2の超音波振動子2、ならびに、受信部6および第1の超音波振動子1は、送信部51および第1の超音波振動子1、ならびに、受信部6および第2の超音波振動子2よりもはるかに高いインピーダンスで電気的に接続される。   The first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 are connected to the transmission unit 51 and the reception unit 6 via the switching unit 10. The switching unit 10 may be a mechanical device such as a toggle switch, or may be configured by an electronic unit or the like. When the transmission unit 51 and the first ultrasonic transducer 1 are electrically connected with low impedance, the second ultrasonic transducer 2 is electrically connected with the reception unit 6 with low impedance (for example, 30Ω). The At this time, the transmission unit 51 and the second ultrasonic transducer 2, and the reception unit 6 and the first ultrasonic transducer 1, which are combinations that are not selected, have the capacity as described with reference to FIG. They are connected with high impedance (for example, 10 kΩ) by coupling. That is, the transmission unit 51 and the second ultrasonic transducer 2, and the reception unit 6 and the first ultrasonic transducer 1 are the transmission unit 51 and the first ultrasonic transducer 1, and the reception unit 6 and The second ultrasonic transducer 2 is electrically connected with an impedance much higher than that of the second ultrasonic transducer 2.

また、送信部51および第2の超音波振動子2、ならびに、受信部6および第1の超音波振動子1が電気的に低インピーダンスで接続される時には、送信部51および第1の超音波振動子1、ならびに、受信部6および第2の超音波振動子2が電気的に高インピーダンスで接続される。   Further, when the transmission unit 51 and the second ultrasonic transducer 2, and the reception unit 6 and the first ultrasonic transducer 1 are electrically connected with low impedance, the transmission unit 51 and the first ultrasonic transducer are connected. The vibrator 1, the receiving unit 6, and the second ultrasonic vibrator 2 are electrically connected with high impedance.

送信部51は、以下で詳細に説明するように、送信用超音波振動子から計測用超音波を送信するための第1の駆動信号、および、受信用超音波振動子を駆動するための第2の駆動信号を生成する。通常、受信用超音波振動子は超音波を受信して電気的信号を出力する。本発明では、受信用超音波振動子を積極的に駆動して振動させた状態で超音波を受信する。この受信用超音波振動子の駆動は、上述の切り替え部10における送信部51と受信用超音波振動子との高インピーダンス接続により行う。送信用超音波振動子を駆動する第1の駆動信号も高インピーダンス接続によって受信用超音波振動子に漏洩し、従来と同様振動するが、本発明では第1の駆動信号の後、第1の駆動信号とは異なるタイミングで生成する第2の駆動信号を用いて受信用超音波振動子を駆動する。これによって、受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減させる。   As will be described in detail below, the transmission unit 51 includes a first drive signal for transmitting measurement ultrasonic waves from the transmission ultrasonic transducer and a first drive signal for driving the reception ultrasonic transducer. 2 drive signals are generated. Usually, a receiving ultrasonic transducer receives an ultrasonic wave and outputs an electrical signal. In the present invention, ultrasonic waves are received in a state where the ultrasonic transducer for reception is actively driven and vibrated. The reception ultrasonic transducer is driven by high impedance connection between the transmission unit 51 and the reception ultrasonic transducer in the switching unit 10 described above. The first drive signal for driving the transmission ultrasonic transducer also leaks to the reception ultrasonic transducer through a high impedance connection and vibrates in the same manner as in the prior art. However, in the present invention, after the first drive signal, The receiving ultrasonic transducer is driven using a second drive signal generated at a timing different from that of the drive signal. This reduces the influence of resonance vibration of the receiving ultrasonic transducer.

具体的には、送信部51は、第1の波形生成部20と、第2の波形生成部21と、遅延部22と、増幅部52とを含む。遅延部22と第2の波形部21とは直列に接続され、かつ、第1の波形生成20に対して並列に接続されている。これらの並列回路は、増幅部52と制御部54との間に挿入されている。   Specifically, the transmission unit 51 includes a first waveform generation unit 20, a second waveform generation unit 21, a delay unit 22, and an amplification unit 52. The delay unit 22 and the second waveform unit 21 are connected in series and connected in parallel to the first waveform generation 20. These parallel circuits are inserted between the amplification unit 52 and the control unit 54.

制御部54からトリガ信号が出力されると、第1の波形生成部20は、トリガ信号を受け取って、所定の第1のタイミングで第1の駆動信号を生成し、増幅部52へ出力する。
また、遅延部22は、トリガ信号を受け取ると、所定の遅延時間経過後である第2のタイミングで信号を第2の波形生成部21出力する。第2の波形生成部21は、信号を受け取って第2の駆動信号を出力する。つまり、第2の駆動信号は第2のタイミングで生成される。生成した第2の駆動信号は増幅部52へ出力される。
When the trigger signal is output from the control unit 54, the first waveform generation unit 20 receives the trigger signal, generates a first drive signal at a predetermined first timing, and outputs the first drive signal to the amplification unit 52.
Further, when the delay unit 22 receives the trigger signal, the delay unit 22 outputs the signal to the second waveform generation unit 21 at a second timing after a predetermined delay time has elapsed. The second waveform generator 21 receives the signal and outputs a second drive signal. That is, the second drive signal is generated at the second timing. The generated second drive signal is output to the amplifying unit 52.

第1の超音波振動子1を送信用に用いる場合には、切り替え部10によって、送信部51と第1の超音波振動子1が低インピーダンスで接続される。送信部51で生成した第1の駆動信号および第2の駆動信号は第1の超音波振動子1を駆動し、超音波が流体中に送信される。このとき送信部51と高インピーダンス接続された第2の超音波振動子2は、高インピーダンスにより減衰した第1の駆動信号および第2の駆動信号により駆動される。   When the first ultrasonic transducer 1 is used for transmission, the switching unit 10 connects the transmission unit 51 and the first ultrasonic transducer 1 with low impedance. The first drive signal and the second drive signal generated by the transmission unit 51 drive the first ultrasonic transducer 1, and ultrasonic waves are transmitted into the fluid. At this time, the second ultrasonic transducer 2 connected in high impedance with the transmitter 51 is driven by the first drive signal and the second drive signal attenuated by the high impedance.

その後、第2の超音波振動子2に到達した超音波が電気信号に変換され、受信信号の振幅が受信部6によって調節される。通常、受信用超音波振動子の出力は小さいため、受信信号は適当な増幅率で増幅される。しかし、第1の超音波振動子1または第2の超音波振動子2に到達した超音波による電気信号が十分大きい場合には必ずしも受信部6は受信信号を増幅しなくてもよい。   Thereafter, the ultrasonic wave that reaches the second ultrasonic transducer 2 is converted into an electric signal, and the amplitude of the received signal is adjusted by the receiving unit 6. Usually, since the output of the receiving ultrasonic transducer is small, the received signal is amplified with an appropriate amplification factor. However, when the electrical signal generated by the ultrasonic wave that reaches the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer 2 is sufficiently large, the receiving unit 6 does not necessarily amplify the received signal.

超音波流量計101はさらに検知部53、制御部54および演算部55を備える。受信部6によって増幅された受信信号は、検知部53へ送られる。検知部53は、受信信号を検知し、受信信号を受け取った時間を決定する。検知部53は、ゼロクロス検知部7と、ピークホールド部13と、レベル検知部5とを含む。図14を参照して説明したように、ピークホールド部13は、受信信号14を受け取って、受信信号14のピーク値をホールドしたピークホールド信号15を生成する。レベル検知部5は、ピークホールド信号15が所定のしきい値16に達したとき、信号17をゼロクロス検知部7へ出力する。ゼロクロス検知部7は、レベル検知部5から信号を受け取った直後に、受信信号14の振幅が正から負へ、または、負から正へ変化する点をゼロクロスポイントとして検知し、検知信号18生成する。このゼロクロスポイントを受信信号の伝播時間とする。   The ultrasonic flowmeter 101 further includes a detection unit 53, a control unit 54, and a calculation unit 55. The reception signal amplified by the reception unit 6 is sent to the detection unit 53. The detection unit 53 detects the reception signal and determines the time when the reception signal is received. The detection unit 53 includes a zero cross detection unit 7, a peak hold unit 13, and a level detection unit 5. As described with reference to FIG. 14, the peak hold unit 13 receives the reception signal 14 and generates the peak hold signal 15 that holds the peak value of the reception signal 14. The level detector 5 outputs a signal 17 to the zero cross detector 7 when the peak hold signal 15 reaches a predetermined threshold value 16. The zero cross detection unit 7 detects a point where the amplitude of the reception signal 14 changes from positive to negative or from negative to positive immediately after receiving the signal from the level detection unit 5, and generates a detection signal 18. . This zero cross point is defined as the propagation time of the received signal.

制御部54は、検知信号18を受け取り、所定の遅延時間の経過後に送信部へトリガ信号を出力する。このために、制御部54は遅延部4および繰り返し部8を含む。遅延部4は、検知信号に基づいて所定の時間遅らせたタイミングでトリガ信号を生成する。繰り返し部8は、遅延部4のトリガ信号をカウントし、所定回数以下であれば遅延部4の出力を送信部51へ出力する。送信部51は、トリガ信号を受け取って上述したように次の第1の駆動信号および第2の駆動信号を生成する。このようにして、シングアラウンド法により超音波の送受信を繰り返す。   The control unit 54 receives the detection signal 18 and outputs a trigger signal to the transmission unit after a predetermined delay time has elapsed. For this purpose, the control unit 54 includes a delay unit 4 and a repetition unit 8. The delay unit 4 generates a trigger signal at a timing delayed by a predetermined time based on the detection signal. The repetition unit 8 counts the trigger signal of the delay unit 4, and outputs the output of the delay unit 4 to the transmission unit 51 if it is equal to or less than a predetermined number. The transmission unit 51 receives the trigger signal and generates the next first drive signal and second drive signal as described above. In this way, transmission / reception of ultrasonic waves is repeated by the sing-around method.

演算部54は、計時部9および流量算出部11を含む。計時部9は、所定の回数だけ、上述の送受信のループを繰り返すのに要した時間を計測し、測定結果を流量算出部11へ送る。流量算出部11は、第1の超音波振動子1から第2の超音波振動子2に向かって超音波を伝播させた場合の伝播時間および第2の超音波振動子2から第1の超音波振動子1に向かって超音波を伝播させた場合の伝播時間をそれぞれ求め、伝播時間差から流速および流量を求める。   The calculation unit 54 includes a timer unit 9 and a flow rate calculation unit 11. The timer 9 measures the time required to repeat the above transmission / reception loop a predetermined number of times, and sends the measurement result to the flow rate calculation unit 11. The flow rate calculation unit 11 transmits the ultrasonic wave from the first ultrasonic transducer 1 toward the second ultrasonic transducer 2 and the propagation time when the ultrasonic wave is propagated from the second ultrasonic transducer 2 to the first ultrasonic transducer 2. The propagation times when ultrasonic waves are propagated toward the sonic transducer 1 are obtained, and the flow velocity and flow rate are obtained from the propagation time difference.

本実施形態において、上述の各構成要素は、電子部品等を用いたハードウエアにより構成することもソフトウエアにより構成することもできる。流量算出部11は、マイコン等によって実現される。このマイコンは、各構成要素の制御も行う。上述の各構成要素の機能がソフトウエアによって実現される場合には、各構成要素は、その機能を実現する手順あるいは工程を意味する。この場合、各構成要素は、たとえば、「ピークホールドステップ」、「ゼロ検知ステップ」等、「部」を「ステップ」に置き換えて呼んでもよい。また、ハードウエアあるいはソフトウエアのいずれによっても機能を実現することが可能であり、各構成要素の機能が実現しうる限り、その機能を実現する構成に制限はないので、「ピークホールド手段」、「ゼロ検知手段」等、「部」を「手段」に置き換えて各構成要素を呼んでもよい。以下の実施形態においても同様に各構成要素を構成し、また、各構成要素を参照することが可能である。   In the present embodiment, each of the above-described components can be configured by hardware using electronic components or the like, or can be configured by software. The flow rate calculation unit 11 is realized by a microcomputer or the like. This microcomputer also controls each component. When the function of each component described above is realized by software, each component means a procedure or process for realizing the function. In this case, each component may be called by replacing “part” with “step” such as “peak hold step” and “zero detection step”. In addition, the function can be realized by either hardware or software, and as long as the function of each component can be realized, there is no restriction on the configuration that realizes the function. Each component may be called by replacing “unit” with “means” such as “zero detection means”. In the following embodiments, each component can be similarly configured, and each component can be referred to.

次に超音波流量計101において受信用超音波振動子が受信する信号について説明する。図2は、送信部51から出力される信号、送信用超音波振動子の振動および受信用超音波振動子の振動の振幅を示している。図において横軸は時間を示しており、同じ時刻を基準にしている。上述したように送信部51は、超音波を送信し、伝播時間を一度測定(検知)する場合に、第1の駆動信号61および第2の駆動信号62を出力する。第1の駆動信号61は送信用超音波振動子を駆動するために用いられ、第2の駆動信号62は受信用超音波振動子を駆動するため用いられる。図2に示すように、第1の駆動信号が時刻t1で出力されると、第1の駆動信号により、ほぼ同時刻において送信用超音波振動子が波形61aで振動し始める。また、同時に、切り替え部における容量結合によって、第1の駆動信号が受信用超音波振動子にも出力される。このため、波形61bで受信用超音波振動子が振動し始める。波形61bの振幅は波形61aほど大きくはない。受信用超音波振動子の駆動は容量結合によるものであるため、第1の駆動信号が減衰しているからである。   Next, signals received by the ultrasonic transducer for reception in the ultrasonic flowmeter 101 will be described. FIG. 2 shows the amplitude of the signal output from the transmitter 51, the vibration of the transmitting ultrasonic transducer, and the vibration of the receiving ultrasonic transducer. In the figure, the horizontal axis indicates time, which is based on the same time. As described above, the transmitter 51 outputs the first drive signal 61 and the second drive signal 62 when transmitting ultrasonic waves and measuring (detecting) the propagation time once. The first drive signal 61 is used to drive the transmission ultrasonic transducer, and the second drive signal 62 is used to drive the reception ultrasonic transducer. As shown in FIG. 2, when the first drive signal is output at time t1, the transmission ultrasonic transducer starts to vibrate with the waveform 61a at approximately the same time due to the first drive signal. At the same time, the first drive signal is also output to the receiving ultrasonic transducer by capacitive coupling in the switching unit. Therefore, the receiving ultrasonic transducer starts to vibrate with the waveform 61b. The amplitude of the waveform 61b is not as large as the waveform 61a. This is because the driving of the reception ultrasonic transducer is based on capacitive coupling, and thus the first drive signal is attenuated.

第1の駆動信号61の出力が終了すると、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子の振動は減衰する。しかし、これらの超音波振動子はそれぞれの超音波振動子の共振周波数で振動を続ける。このため、受信用超音波振動子は波形63で振動を続ける。送信用超音波振動子も同様に共振周波数で振動を続けるが、本発明では、送信器側の振動は重要ではないため、図2では図示していない。   When the output of the first drive signal 61 is completed, the vibrations of the transmission ultrasonic transducer and the reception ultrasonic transducer are attenuated. However, these ultrasonic vibrators continue to vibrate at the resonance frequency of each ultrasonic vibrator. For this reason, the receiving ultrasonic transducer continues to vibrate with the waveform 63. Similarly, the transmitting ultrasonic vibrator continues to vibrate at the resonance frequency. However, in the present invention, the vibration on the transmitter side is not important and is not shown in FIG.

時刻t2で第2の駆動信号62が送信部51から出力されると、同様に、第2の駆動信号により、ほぼ同時刻において送信用超音波振動子が波形62aで振動し始める。また、同時に、波形62bで受信用超音波振動子が振動し始める。その後第2の駆動信号62の出力が終了すると、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子の振動は減衰し、同様に、受信用超音波振動子は波形64で示す共振周波数で振動を続ける。このとき、波形64で示す共振振動の位相は、第2の駆動信号62の出力時刻t2で決定している。   When the second drive signal 62 is output from the transmission unit 51 at time t2, similarly, the transmission ultrasonic transducer starts to vibrate with the waveform 62a at approximately the same time by the second drive signal. At the same time, the receiving ultrasonic transducer starts to vibrate with the waveform 62b. Thereafter, when the output of the second drive signal 62 is completed, the vibrations of the transmission ultrasonic transducer and the reception ultrasonic transducer are attenuated. Similarly, the reception ultrasonic transducer vibrates at the resonance frequency indicated by the waveform 64. Continue. At this time, the phase of the resonance vibration indicated by the waveform 64 is determined at the output time t2 of the second drive signal 62.

その後、送信用超音波振動子が波形61aで示すように振動することによって生成した超音波が流体中を伝播し、受信用超音波振動子に到達する。このとき、波形64で示す共振周波数で振動している受信用超音波振動子は、受け取った超音波によって、波形61cで示すように振動する。つまり、共振振動に受信による振動が重畳される。図に示すように、流体中を伝播してきた超音波によって受信用超音波振動子が振動始める時刻は時刻t1から時間t3を経過後であり、この時間は超音波が流体中を伝播する伝播時間に等しい。シングアラウンド法により繰り返して行う計測中の数十回程度の計測に要する時間は十分に短く、このような短時間では流体の流量変化はほとんどない。つまり、t3はシングアラウンド法による計測中、一定である。受信する超音波の位相は、第1の駆動信号が生成されるタイミング(時刻t1)で決定する。一方、受信用超音波振動子が波形64で示される共振振動を行う場合の位相は第2の駆動信号が生成されるタイミング(時刻t2)で決定する。このため、これら2つの振動の位相は、任意に調節することができる。   Thereafter, the ultrasonic wave generated when the transmitting ultrasonic vibrator vibrates as indicated by the waveform 61a propagates in the fluid and reaches the receiving ultrasonic vibrator. At this time, the receiving ultrasonic transducer vibrating at the resonance frequency indicated by the waveform 64 vibrates as indicated by the waveform 61c by the received ultrasonic wave. That is, the vibration due to reception is superimposed on the resonance vibration. As shown in the figure, the time when the receiving ultrasonic transducer starts to vibrate by the ultrasonic wave propagating in the fluid is after the time t3 from the time t1, and this time is the propagation time for the ultrasonic wave to propagate in the fluid. be equivalent to. The time required for measuring several tens of times during measurement repeatedly performed by the sing-around method is sufficiently short, and there is almost no fluid flow rate change in such a short time. That is, t3 is constant during measurement by the sing-around method. The phase of the received ultrasonic wave is determined at the timing (time t1) at which the first drive signal is generated. On the other hand, the phase when the receiving ultrasonic transducer performs the resonant vibration indicated by the waveform 64 is determined at the timing (time t2) when the second drive signal is generated. For this reason, the phase of these two vibrations can be adjusted arbitrarily.

共振振動に受信信号が重畳することによって、受信信号のゼロクロスポイントも共振振動の影響を受ける。特に2つの超音波振動子の共振周波数が異なる場合には、超音波の伝播方向によっても影響に差異が生じる。しかし、第2の駆動信号を生成するタイミングを共振周波数に基づいて定めることによって、共振振動による影響を調節することが可能となる。具体的には、一方向における超音波の伝播時間を求める際、共振振動の位相を異ならせて複数回超音波を送受信する。これにより、共振振動の影響をキャンセルさせることができる。たとえば、振動の位相をシングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化させることによって、共振振動の影響をキャンセルさせることができる。   By superimposing the reception signal on the resonance vibration, the zero cross point of the reception signal is also affected by the resonance vibration. In particular, when the resonance frequencies of the two ultrasonic transducers are different, the influence varies depending on the propagation direction of the ultrasonic waves. However, by determining the timing for generating the second drive signal based on the resonance frequency, it is possible to adjust the influence of the resonance vibration. Specifically, when obtaining the propagation time of the ultrasonic wave in one direction, the ultrasonic wave is transmitted and received a plurality of times with different resonance vibration phases. Thereby, the influence of the resonance vibration can be canceled. For example, the influence of resonance vibration can be canceled by periodically changing the vibration phase in repetition by the sing-around method.

以下、シングアラウンド法を用いて流量を計測する場合において、共振振動の影響をキャンセルさせる方法を説明する。ここでは、受信用超音波振動子の共振周波数を500kHz(周期2μs)とする。図3は、送信部51から出力させる駆動信号の波形を示している。まずシングアラウンド法による計測の繰り返しのうち、第1回目の計測(繰り返し)では、第1の駆動信号28を生成は、たとえば、制御部からトリガ信号を受け取ったタイミングで行う。また、第2の駆動信号29を生成は、第1の駆動信号28の生成から遅延時間30を経過したタイミングで行う。遅延時間30は送信部51の遅延部22によって作成、調整される。第2回目の計測では、図に示すように、第1の駆動信号28および第2の駆動信号30を生成する。第1の駆動信号28の生成のタイミングは一回目の計測と同じである。これに対し、第2の駆動信号30の生成は、第1の駆動信号28の生成のタイミングから時間d1だけ遅れている。d1は受信用超音波振動子の共振振動の周期の1/10である0.2μsに設定されている。   Hereinafter, a method for canceling the influence of resonance vibration when measuring the flow rate using the sing-around method will be described. Here, the resonance frequency of the ultrasonic transducer for reception is set to 500 kHz (period 2 μs). FIG. 3 shows the waveform of the drive signal output from the transmission unit 51. First, in the first measurement (repetition) among the repetitions of the measurement by the sing-around method, the first drive signal 28 is generated, for example, at the timing when the trigger signal is received from the control unit. Further, the second drive signal 29 is generated at a timing when a delay time 30 has elapsed since the generation of the first drive signal 28. The delay time 30 is created and adjusted by the delay unit 22 of the transmission unit 51. In the second measurement, as shown in the figure, the first drive signal 28 and the second drive signal 30 are generated. The generation timing of the first drive signal 28 is the same as the first measurement. On the other hand, the generation of the second drive signal 30 is delayed by the time d1 from the generation timing of the first drive signal 28. d1 is set to 0.2 μs, which is 1/10 of the period of resonance vibration of the receiving ultrasonic transducer.

以降、第1の駆動信号の生成タイミングは、計測ごとには変化せず一定であるが、第2の駆動信号の生成タイミングは、1/10周期ずつ遅らせる。このため、第10回目の計測では、第1の駆動信号28の生成タイミングは、第1回目における第1の駆動信号28の生成タイミングと一致しているが、第2の駆動信号31の生成タイミングは、1回目における第2の駆動信号29の生成タイミングから9/10周期(1.8μs)である時間d9だけ遅れている。第11回目の計測において、第2の駆動信号29の生成タイミングは、第1回目の計測における第2の駆動信号29とちょうど1周期ずれるため、第1回目の計測における第2の駆動信号29と同じタイミングとなる。   Thereafter, the generation timing of the first drive signal does not change for each measurement and is constant, but the generation timing of the second drive signal is delayed by 1/10 period. Therefore, in the tenth measurement, the generation timing of the first drive signal 28 coincides with the generation timing of the first drive signal 28 in the first time, but the generation timing of the second drive signal 31. Is delayed by a time d9, which is a 9/10 period (1.8 μs), from the generation timing of the second drive signal 29 at the first time. In the eleventh measurement, the generation timing of the second drive signal 29 is shifted by exactly one cycle from the second drive signal 29 in the first measurement, so that the second drive signal 29 in the first measurement is different from the second drive signal 29 in the first measurement. At the same timing.

図4は、図3に示す駆動信号が送信部51から出力されるときに、切り替え部10を介して受信用超音波振動子へ漏れる信号の波形を示している。容量結合によって信号の漏れが生じるため、駆動信号の波形は異なっている。また、図4では見やすさのため、図3に示す駆動信号とほぼ等しい振幅で信号が示されているが、実際の振幅は送信部51で生成される駆動信号の振幅よりも小さくなっている。   FIG. 4 shows a waveform of a signal that leaks to the receiving ultrasonic transducer via the switching unit 10 when the drive signal shown in FIG. 3 is output from the transmission unit 51. Since signal leakage occurs due to capacitive coupling, the waveforms of the drive signals are different. Further, in FIG. 4, the signal is shown with an amplitude substantially equal to that of the drive signal shown in FIG. 3 for easy viewing, but the actual amplitude is smaller than the amplitude of the drive signal generated by the transmission unit 51. .

図に示すように、漏れた第1の駆動信号28rのタイミングは送信部における第1の駆動信号の生成のタイミングとほぼ一致している。つまりシングアラウンドによる繰り返し中、漏れた第1の駆動信号28rのタイミングは一定である。   As shown in the figure, the timing of the leaked first drive signal 28r substantially coincides with the generation timing of the first drive signal in the transmission unit. That is, the timing of the leaked first drive signal 28r is constant during repetition by sing-around.

漏れた第2の駆動信号のタイミングも、送信部51において第2の駆動信号が生成されるタイミングとほぼ一致する。このため、第2回目の計測における漏れた第2の駆動信号30rおよび第10回目の計測における漏れた第2の駆動信号31rの生成タイミングは、第1回目の計測における漏れた第2の駆動信号29rの生成タイミングから時間d1(1/10周期)およびd9(9/10周期)だけ遅れている。第11回目の計測における漏れた第2の駆動信号29rの生成のタイミングは第1回目と同じである。   The timing of the leaked second drive signal also substantially coincides with the timing at which the transmitter 51 generates the second drive signal. For this reason, the generation timing of the leaked second drive signal 30r in the second measurement and the leaked second drive signal 31r in the tenth measurement is the same as the generation timing of the leaked second drive signal in the first measurement. It is delayed by the time d1 (1/10 cycle) and d9 (9/10 cycle) from the generation timing of 29r. The generation timing of the leaked second drive signal 29r in the eleventh measurement is the same as in the first measurement.

図5は、図4に示す信号により駆動される受信用超音波振動子の振動波形を示している。漏れた第1の駆動信号28rおよび漏れた第2の駆動信号29r、30r、31rによって受信用超音波振動子が駆動され振動する。図に示すように、漏れた第1の駆動信号28rによって生じる振動波形28bのタイミングはシングアラウンドの繰り返し中、一定である。シングアラウンド法による繰り返しのいずれの計測においても、漏れた第1の駆動信号28rの出力が終了すると、受信用超音波振動子は波形65bで示すように、共振周波数で振動する。   FIG. 5 shows a vibration waveform of the receiving ultrasonic transducer driven by the signal shown in FIG. The receiving ultrasonic transducer is driven and vibrated by the leaked first drive signal 28r and the leaked second drive signals 29r, 30r, 31r. As shown in the figure, the timing of the vibration waveform 28b generated by the leaked first drive signal 28r is constant during repetition of sing-around. In any of the repeated measurements by the sing-around method, when the output of the leaked first drive signal 28r is completed, the receiving ultrasonic transducer vibrates at the resonance frequency as shown by the waveform 65b.

漏れた第2の駆動信号によって駆動される受信用超音波振動子の振動のタイミングも、送信部51において第2の駆動信号が生成されるタイミングとほぼ一致する。具体的には、第2回目の計測における漏れた第2の駆動信号30rおよび第10回目の計測における漏れた第2の駆動信号31rによって生じる振動波形30b、31bのタイミングは、第1回目の計測における漏れた第2の駆動信号29rによって生じる振動波形29bのタイミング時間d1(1/10周期)およびd9(9/10周期)だけ遅れている。つまり、シングアラウンドによる計測ごとに、1/10周期ずつ、漏れた第2の駆動信号による振動のタイミングが遅れている。   The timing of vibration of the receiving ultrasonic transducer driven by the leaked second drive signal also substantially coincides with the timing at which the transmitter 51 generates the second drive signal. Specifically, the timing of the vibration waveforms 30b and 31b generated by the leaked second drive signal 30r in the second measurement and the leaked second drive signal 31r in the tenth measurement is the first measurement. Is delayed by timing times d1 (1/10 cycle) and d9 (9/10 cycle) of the vibration waveform 29b generated by the leaked second drive signal 29r. That is, for each measurement by sing-around, the timing of vibration due to the leaked second drive signal is delayed by 1/10 period.

このため、漏れた第2の駆動信号による振動が減衰し、受信用超音波振動子が共振周波数で振動する場合の振動波形66b、67b、68bの位相が、シングアラウンドによる計測ごとに、1/10周期ずつ遅れている。具体的には、第2回目の計測における振動波形67bおよび第10回目の計測における振動波形68bの位相は、第1回目の計測における振動波形66bに対して時間d1およびd9だけ遅れている。   Therefore, the vibration due to the leaked second drive signal is attenuated, and the phase of the vibration waveforms 66b, 67b, 68b when the receiving ultrasonic vibrator vibrates at the resonance frequency is 1 / Delayed by 10 cycles. Specifically, the phases of the vibration waveform 67b in the second measurement and the vibration waveform 68b in the tenth measurement are delayed by time d1 and d9 with respect to the vibration waveform 66b in the first measurement.

図6は、受信用超音波振動子が図5に示すように振動している状態において、第1の駆動信号28によって送信用超音波振動子から送信された超音波が流体中を伝播し、受信用超音波振動子に受信されたときの超音波振動子の振動を示している。図6に示すように、超音波の受信により振動波形28aが生じる。図2を参照して説明したように、シングアラウンドによる計測を10回繰り返すのに要する時間は短いため、この間、流速に変化はなく、流体を伝播する超音波の伝播時間t3は一定とみなせる。このため、振動波形28aが生じるタイミングも、シングアラウンドによるいずれの繰り返しにおいて一致する。   FIG. 6 shows that the ultrasonic wave transmitted from the ultrasonic transducer for transmission by the first drive signal 28 propagates in the fluid in the state where the ultrasonic transducer for reception vibrates as shown in FIG. The vibration of the ultrasonic transducer when received by the reception ultrasonic transducer is shown. As shown in FIG. 6, the vibration waveform 28a is generated by receiving the ultrasonic wave. As described with reference to FIG. 2, since the time required to repeat the measurement by sing-around 10 times is short, the flow velocity does not change during this time, and the propagation time t3 of the ultrasonic wave propagating the fluid can be regarded as constant. For this reason, the timing at which the vibration waveform 28a occurs also coincides in any repetition due to sing-around.

振動波形28aが生じる際、受信用超音波振動子は共振周波数で振動している。図に示すように、第1回目、2回目、10回目および11回目の計測では、振動波形66b、67b、68bおよび66bで振動しており、これらの振動波形に振動波形28aが重畳される。この際、共振振動の位相は、計測ごとに1/10周期ずつ遅れ、11回目の計測では、1回目の計測の時の位相と一致している。   When the vibration waveform 28a is generated, the receiving ultrasonic transducer vibrates at the resonance frequency. As shown in the figure, in the first, second, tenth and eleventh measurements, the vibration waveforms 66b, 67b, 68b and 66b vibrate, and the vibration waveform 28a is superimposed on these vibration waveforms. At this time, the phase of the resonance vibration is delayed by 1/10 period for each measurement, and in the eleventh measurement, the phase coincides with the phase at the first measurement.

受信した超音波による振動波形と共振振動の振動波形との重畳した振動波形が、受信用超音波振動子の実際の振動波形となり、受信用超音波振動子が出力する受信信号に対応する。このため、受信信号の波形は、共振振動の影響により変化し、ゼロクロスポイントも真の位置から変動する。しかし、受信用超音波振動子の共振振動は三角関数で近似することができ、シングアラウンドにより1回目から10回目までの計測時間を合計した場合、位相が1/10周期ずつずれた共振振動の影響が共振振動の1周期分合計される。このため、共振振動の影響は、1回目から10回目までの計測時間を合計することによりキャンセルされ、得られる計測時間には共振周波数の影響が排除される。この場合、シングアラウンドの回数を10の整数倍にしても同様の効果が得られる。   The vibration waveform obtained by superimposing the vibration waveform of the received ultrasonic wave and the vibration waveform of the resonance vibration becomes the actual vibration waveform of the reception ultrasonic transducer, and corresponds to the reception signal output by the reception ultrasonic transducer. For this reason, the waveform of the received signal changes due to the influence of resonance vibration, and the zero cross point also varies from the true position. However, the resonance vibration of the receiving ultrasonic transducer can be approximated by a trigonometric function. When the measurement times from the first to the tenth times are summed up by sing around, the phase of the resonance vibration whose phase is shifted by 1/10 period The influence is summed for one period of the resonance vibration. For this reason, the influence of the resonance vibration is canceled by summing the measurement times from the first time to the tenth time, and the influence of the resonance frequency is eliminated in the obtained measurement time. In this case, the same effect can be obtained even if the number of times of single-around is an integer multiple of 10.

図7(a)は、位相の異なる共振振動の影響がキャンセルことを説明するグラフである。図において、波形33は、周波数500kHz、周期2μsで振動している信号を示している。この信号の位相を0.2μsずらせて1周期分生成し、生成した9つの信号波形33に重ね合わせると、波形34に示される信号となる。図から明らかなようにほぼ完全に、信号の振幅が相殺されている。このことから上述したようにシングアラウンドによる計測を行うことによって、共振周波数による影響をキャンセルできる。   FIG. 7A is a graph for explaining that the influence of resonance vibrations having different phases is canceled. In the figure, a waveform 33 shows a signal oscillating at a frequency of 500 kHz and a period of 2 μs. When one phase is generated by shifting the phase of this signal by 0.2 μs and superimposed on the generated nine signal waveforms 33, the signal shown in the waveform 34 is obtained. As can be seen from the figure, the amplitude of the signal is almost completely cancelled. From this, the influence by the resonance frequency can be canceled by performing measurement by sing-around as described above.

図7(b)は、周波数510kHz、周期1.96μsで振動している信号の波形35を示している。この信号の周期を10等分すると0.96μsとなるが、図7(a)と同様に、位相を0.2μsずつ遅らせた9つの信号を生成し、波形35に重ねあわせると、波形36で示される信号が得られる。図に示すように、波形36の最大振幅は波形35の約20%になっている。このことから、共振周波数から10Hz程度異なった周波数を基準として位相をずらせ、シングアラウンドにより計測を繰り返しても、共振振動による影響をかなり低減することができることがわかる。   FIG. 7B shows a waveform 35 of a signal oscillating at a frequency of 510 kHz and a period of 1.96 μs. When the period of this signal is divided into 10 equal parts, 0.96 μs is obtained. As in FIG. 7A, nine signals with phases delayed by 0.2 μs are generated and superimposed on the waveform 35 to obtain a waveform 36. The signal shown is obtained. As shown in the figure, the maximum amplitude of the waveform 36 is about 20% of the waveform 35. From this, it can be seen that even if the phase is shifted with reference to a frequency different from the resonance frequency by about 10 Hz and the measurement is repeated by sing around, the influence of the resonance vibration can be considerably reduced.

一般に、受信用超音波振動子の共振周波数をfとし、Nを2以上の整数とした場合、第2の駆動信号を生成するタイミングは、シングアラウンドによる繰り返しの計測ごとに、1/(fN)ずつ位相を変化させる。そして、シングアラウンド回数をNの整数倍(1以上)に設定すればよい。これにより、超音波の伝播時間の計測に共振周波数の影響が生じることを防止することができる。   In general, when the resonance frequency of the receiving ultrasonic transducer is f and N is an integer of 2 or more, the timing for generating the second drive signal is 1 / (fN) for each repeated measurement by sing-around. Change the phase step by step. Then, the number of sing-arounds may be set to an integer multiple of N (1 or more). Thereby, it is possible to prevent the influence of the resonance frequency from occurring in the measurement of the propagation time of the ultrasonic wave.

Nの値は、16〜512であることが好ましい。16よりも小さいと、共振振動の1周期中で測定する測定点の数が少なくなり、計測時間を合計した場合に共振振動の影響が十分にはキャンセルされない可能性がある。一方512より大きい場合には、共振振動の1周期分を合計するために要するシングアラウンドの計測時間が長くなる。これにより、計測すべき流体の流速によっては、その間流速が一定と見なせない場合が生じ、計測誤差が生じる可能性がある。   The value of N is preferably 16 to 512. If it is smaller than 16, the number of measurement points to be measured in one period of the resonance vibration is reduced, and there is a possibility that the influence of the resonance vibration is not sufficiently canceled when the measurement time is totaled. On the other hand, when it is larger than 512, the measuring time of the sing-around required for totaling one period of the resonance vibration becomes longer. Thereby, depending on the flow velocity of the fluid to be measured, the flow velocity may not be considered constant during that time, and a measurement error may occur.

このような効果を得て正しく流量の計測を行うためには、図6から明らかなように、流体中を伝播してきた超音波を受信用超音波振動子が受信する前に、第2の駆動信号が出力されていることが必要であり、第2の駆動信号に基づく振動波形29bが十分に減衰し、受信用超音波振動子が共振周波数で振動していることがより好ましい。   In order to obtain such an effect and correctly measure the flow rate, as is apparent from FIG. 6, the second drive is performed before the receiving ultrasonic transducer receives the ultrasonic wave propagating in the fluid. It is necessary that a signal is output, and it is more preferable that the vibration waveform 29b based on the second drive signal is sufficiently attenuated and the ultrasonic transducer for reception vibrates at the resonance frequency.

また、図には示していないが、第2の駆動信号は送信用超音波振動子も駆動するため、第2の駆動信号によって送信用超音波振動子から送信された超音波を受信用超音波振動子が受信し、検知部54において検知しないよう、検知部54に第1の駆動信号による超音波を検知した後、所定の時間ゼロクロス検知を行わないよう、検知禁止時間を設けておくことが好ましい。   Although not shown in the figure, since the second drive signal also drives the transmission ultrasonic transducer, the ultrasonic wave transmitted from the transmission ultrasonic transducer by the second drive signal is used as the reception ultrasonic wave. A detection prohibition time may be provided so that the zero cross detection is not performed for a predetermined time after the ultrasonic wave generated by the first drive signal is detected by the detection unit 54 so that the transducer receives and is not detected by the detection unit 54. preferable.

流量の計測では、図1に示すように、第1の超音波振動子1および第2の超音波振動子2の間において双方向の伝播時間を計測する必要がある。このため、受信用超音波振動子の共振周波数をfは、その計測を行っているときに受信用超音波振動子となっている第1の超音波振動子1または第2の超音波振動子2の共振周波数fを用いることが好ましい。しかし、図7を参照して説明したように、遅延させる位相は共振周波数から多少、異なっていても、共振振動の影響を低減させることができる。したがって、第1の超音波振動子1および第2の超音波振動子2の共振周波数が一致していないが、その差異が10%程度であれば、どちら一方の共振周波数、あるいは、これら2つの超音波振動子の共振周波数の平均値を用いて、双方向の伝播時間を計測してもよい。   In the measurement of the flow rate, as shown in FIG. 1, it is necessary to measure the bidirectional propagation time between the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2. Therefore, the resonance frequency f of the reception ultrasonic transducer is the first ultrasonic transducer 1 or the second ultrasonic transducer that is the reception ultrasonic transducer when the measurement is performed. It is preferable to use a resonance frequency f of 2. However, as described with reference to FIG. 7, even if the phase to be delayed is slightly different from the resonance frequency, the influence of resonance vibration can be reduced. Therefore, the resonance frequencies of the first ultrasonic transducer 1 and the second ultrasonic transducer 2 do not match, but if the difference is about 10%, either one of these resonance frequencies, or these two The bidirectional propagation time may be measured using the average value of the resonance frequency of the ultrasonic transducer.

次に、超音波流量計101を用いて流体の流量を計測する手順を説明する。以下に説明する手順はマイコン等のコンピュータにより、各構成要素を順次制御することによって行われ、その手順をコンピュータに実行させるためのプラグラムが、ROMやRAM、ハードディスク、磁気記録媒体などの情報記録媒体に保存されている。   Next, a procedure for measuring the flow rate of the fluid using the ultrasonic flowmeter 101 will be described. The procedure described below is performed by sequentially controlling each component by a computer such as a microcomputer, and a program for causing the computer to execute the procedure is an information recording medium such as a ROM, a RAM, a hard disk, or a magnetic recording medium. Is saved.

まず、図1に示すように、送信部51が第1の超音波振動子1と低インピーダンスで接続され、受信部6が第2の超音波振動子2に低インピーダンスで接続されるように切り替え部10を切り替える。   First, as shown in FIG. 1, switching is performed so that the transmission unit 51 is connected to the first ultrasonic transducer 1 with low impedance, and the reception unit 6 is connected to the second ultrasonic transducer 2 with low impedance. The part 10 is switched.

図8に示すように、トリガ信号45を送信部51に入力する。トリガ信号に基づいて第1の駆動信号28(図3)を生成するとともに、遅延部22によって遅延時間30の経過後に第2の駆動信号29を生成する。増幅部3においてこれらを増幅し、第1の駆動信号および第2の駆動信号により、第1の超音波振動子1から超音波を発生させる。このとき、第2の超音波振動子2へ漏れた第1の駆動信号および第2の駆動信号によって、第2の超音波振動子2も駆動される。   As illustrated in FIG. 8, the trigger signal 45 is input to the transmission unit 51. The first drive signal 28 (FIG. 3) is generated based on the trigger signal, and the second drive signal 29 is generated by the delay unit 22 after the delay time 30 has elapsed. The amplifier 3 amplifies them and generates ultrasonic waves from the first ultrasonic transducer 1 by the first drive signal and the second drive signal. At this time, the second ultrasonic transducer 2 is also driven by the first drive signal and the second drive signal leaking to the second ultrasonic transducer 2.

流路12を伝播した超音波は、第2の超音波振動子2によって受信される。受信時に第2の超音波振動子2は共振振動しているため、この受信信号には、所定のタイミングで生成された第2の駆動信号により所定の位相で振動している共振振動成分が重畳している。受信部6によって受信信号14が増幅される。   The ultrasonic wave propagated through the flow path 12 is received by the second ultrasonic transducer 2. Since the second ultrasonic vibrator 2 is resonantly oscillated at the time of reception, a resonance vibration component oscillating at a predetermined phase by the second drive signal generated at a predetermined timing is superimposed on the received signal. doing. The reception signal 14 is amplified by the reception unit 6.

検知部53において、受信信号14がゼロクロス検知され、一回目の計測が完了する。制御部54においてゼロクロス検知から所定の遅延時間46を経過した後に次のトリガ信号47を送信部51へ出力する。このときトリガ信号の数がカウントされる。これによりシングアラウンドの1ループを構成する。   In the detection unit 53, the received signal 14 is zero-cross detected, and the first measurement is completed. The controller 54 outputs the next trigger signal 47 to the transmitter 51 after a predetermined delay time 46 has elapsed since the zero cross detection. At this time, the number of trigger signals is counted. This constitutes a single loop of single-around.

次のトリガ信号を受け取った送信部51は、同様に2回目の計測のための第1および第2の駆動信号を生成する。第1の駆動信号を生成するタイミングは、1回目の計測の時のタイミングと同じであるが、第2の駆動信号は遅延部22によって、1回目の計測のときのタイミングより、1/(fN)遅らせる。たとえば、共振周波数が500kHzで、Nを10にする場合には、0.2μsである。   The transmitter 51 that has received the next trigger signal similarly generates the first and second drive signals for the second measurement. The timing for generating the first drive signal is the same as the timing for the first measurement, but the second drive signal is 1 / (fN from the timing for the first measurement by the delay unit 22. ) Delay. For example, when the resonance frequency is 500 kHz and N is 10, it is 0.2 μs.

同様にして、0.2μsずつ第2の駆動信号を生成する時間を遅らせながら、シングアラウンドにより計測を繰り返す。11回目の計測では、第2の駆動信号を生成させる遅延時間は第1回目と同じ値を用いる。   Similarly, the measurement is repeated by sing-around while delaying the time for generating the second drive signal by 0.2 μs. In the eleventh measurement, the delay time for generating the second drive signal uses the same value as in the first measurement.

所定の回数(例えば50〜1000回)であって、Nの整数倍となる回数、送受信のループを繰り返した後、計時部9は、ループを繰り返すのに要した全時間48を計測し、測定結果を流量算出部11へ送る。   After repeating the transmission / reception loop for a predetermined number of times (for example, 50 to 1000 times) that is an integer multiple of N, the timer 9 measures and measures the total time 48 required to repeat the loop. The result is sent to the flow rate calculation unit 11.

流量算出部11において、全時間48をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間46を引いた値が式(1)に示すT1となる。   In the flow rate calculation unit 11, the total time 48 is divided by the number of times of sing-around, and a value obtained by subtracting the delay time 46 from the value is T1 shown in Expression (1).

次に、切り替え部10を用いて、送信部3を第2の超音波振動子2へ低インピーダンスで接続し、受信部6を第1の超音波振動子1へ低インピーダンスで接続する。そして上述の手順と同様の手順により、第2の超音波振動子2から超音波を発生させ、第1の超音波振動子1で超音波を受信する。このとき、第2の駆動信号を生成するタイミングを定めるために用いる共振周波数には、第1の超音波振動子1の値を用いることが好ましい。しかし、2つの超音波振動子の共振周波数の差異が小さい場合には、第2の超音波振動子の共振周波数を用いてもよい。   Next, using the switching unit 10, the transmission unit 3 is connected to the second ultrasonic transducer 2 with low impedance, and the reception unit 6 is connected to the first ultrasonic transducer 1 with low impedance. Then, ultrasonic waves are generated from the second ultrasonic transducer 2 by the same procedure as described above, and the first ultrasonic transducer 1 receives the ultrasonic waves. At this time, it is preferable to use the value of the first ultrasonic transducer 1 as the resonance frequency used to determine the timing for generating the second drive signal. However, when the difference between the resonance frequencies of the two ultrasonic transducers is small, the resonance frequency of the second ultrasonic transducer may be used.

所定の回数、送受信のループを繰り返した後、計時部9では、ループを繰り返すのに要した全時間48を計時し、測定結果を流量算出部11へ送る。全時間48をシングアラウンド回数で除し、その値から遅延時間46を引いた値が、式(1)に示すT2となる。   After repeating the transmission / reception loop a predetermined number of times, the timing unit 9 counts the total time 48 required to repeat the loop and sends the measurement result to the flow rate calculation unit 11. A value obtained by dividing the total time 48 by the number of times of sing-around and subtracting the delay time 46 from the value is T2 shown in Expression (1).

式(2)に、T1およびT2の値と角度θを代入することによって、流体の流速Vが求まる。更に流路12の断面積をSとすれば、流量QはV×Sによって求めることができる。この流量Qは、単位時間あたりに流量が移動する量であり、流量Qを積分することによって流体の量を求めることができる。   By substituting the values of T1 and T2 and the angle θ into the equation (2), the flow velocity V of the fluid is obtained. Further, if the cross-sectional area of the flow path 12 is S, the flow rate Q can be obtained by V × S. The flow rate Q is an amount by which the flow rate moves per unit time, and the amount of fluid can be obtained by integrating the flow rate Q.

このように、本実施形態によれば、切り替え部で生じる駆動信号のリークによって受信用超音波振動子が共振する場合でも、リークを積極的に利用して、共振振動の位相を制御することにより、流量計測の測定誤差を小さくすることができる。   As described above, according to the present embodiment, even when the reception ultrasonic transducer resonates due to the leakage of the drive signal generated in the switching unit, the leakage is actively used to control the phase of the resonance vibration. Measurement errors in flow measurement can be reduced.

なお、上述の説明から明らかなように、受信用超音波振動子の共振振動による影響は、共振振動の位相を異ならせて、複数回超音波を受信すれば低減することが可能であり、複数回超音波を受信する方法はシングアラウンド法に限られない。たとえば、各計測において、超音波の送信時刻と受信(検知)時刻とを計測して伝播時間を求め、その合計値を用いて一方向の伝播時間を求めてもよい。   As is clear from the above description, the influence of the resonance vibration of the receiving ultrasonic transducer can be reduced by receiving the ultrasonic wave a plurality of times while changing the phase of the resonance vibration. The method of receiving the ultrasonic waves is not limited to the single-around method. For example, in each measurement, the transmission time and the reception (detection) time of the ultrasonic wave may be measured to obtain the propagation time, and the propagation time in one direction may be obtained using the total value.

また、本実施形態では、切り替え部によって生じる駆動信号の漏れにより、超音波振動子が共振する場合を説明したが、他の原因により受信用超音波振動子が共振する場合にも本発明はその共振の影響を効果的に低減することができる。たとえば、送信用超音波振動子から送信された超音波を受信することによって、受信用超音波振動子は振動するが、振動が減衰した後も受信用超音波振動子は共振周波数で振動し続ける場合がある。このような場合にも、上述したように、受信用超音波振動子を所定の位相で共振させることによって、共振の影響を低減することができる。   Further, in the present embodiment, the case where the ultrasonic transducer resonates due to the leakage of the drive signal generated by the switching unit has been described, but the present invention also applies to the case where the receiving ultrasonic transducer resonates due to other causes. The influence of resonance can be effectively reduced. For example, the reception ultrasonic transducer vibrates by receiving the ultrasonic wave transmitted from the transmission ultrasonic transducer, but the reception ultrasonic transducer continues to vibrate at the resonance frequency even after the vibration is attenuated. There is a case. Even in such a case, as described above, the influence of resonance can be reduced by causing the receiving ultrasonic transducer to resonate at a predetermined phase.

(第2の実施形態)
図9は、本発明による超音波流量計の第2の実施形態を示すブロック図である。超音波流量計102は、第1の実施形態の送信部51に換えて送信部56を備えている点で第1の実施形態とは異なっている。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a block diagram showing a second embodiment of the ultrasonic flowmeter according to the present invention. The ultrasonic flowmeter 102 is different from the first embodiment in that it includes a transmission unit 56 instead of the transmission unit 51 of the first embodiment.

第1の実施形態では、受信用超音波振動子を駆動するために、切り替え部10における信号の漏れを利用して受信用超音波振動子を駆動していたが、本実施形態では、送信部と受信用超音波振動子とを低インピーダンスで接続して駆動信号を与える。このために、送信部51は、第1の駆動信号生成部57と、第2の駆動信号生成部38と、遅延部39とスイッチ部43とを含む。   In the first embodiment, in order to drive the reception ultrasonic transducer, the reception ultrasonic transducer is driven by using the signal leakage in the switching unit 10, but in the present embodiment, the transmission unit And a receiving ultrasonic transducer are connected with a low impedance to give a drive signal. For this purpose, the transmission unit 51 includes a first drive signal generation unit 57, a second drive signal generation unit 38, a delay unit 39, and a switch unit 43.

第1の駆動信号生成部57は制御部54と切り替え部10との間に接続されている。制御部54からトリガ信号が出力されると、第1の駆動信号生成部57はトリガ信号に基づいて第1の駆動信号を生成し、切り替え部へ出力する。   The first drive signal generation unit 57 is connected between the control unit 54 and the switching unit 10. When a trigger signal is output from the control unit 54, the first drive signal generation unit 57 generates a first drive signal based on the trigger signal and outputs the first drive signal to the switching unit.

第2の駆動信号生成部38と遅延部39とは直列に接続され、制御部54と切り替え部10との間に接続されている。制御部54からトリガ信号が出力されると、遅延部39はトリガ信号を受け取ってから所定の遅延時間が経過した後、第2の駆動信号生成部38および遅延部39へ信号を出力する。第2の駆動信号生成部38は、遅延部39から受け取る信号に基づいて第2の駆動信号を生成し、切り替え部へ出力する。   The second drive signal generation unit 38 and the delay unit 39 are connected in series, and are connected between the control unit 54 and the switching unit 10. When the trigger signal is output from the control unit 54, the delay unit 39 outputs a signal to the second drive signal generation unit 38 and the delay unit 39 after a predetermined delay time has elapsed after receiving the trigger signal. The second drive signal generation unit 38 generates a second drive signal based on the signal received from the delay unit 39 and outputs the second drive signal to the switching unit.

スイッチ部43は、切り替え部10と受信部6との間に接続されており、たとえば、スイッチ制御部40とスイッチ41とによって構成されている。スイッチ部43は、遅延部39から信号を受け取って、所定の期間、切り替え部10と受信部6との間を電気的に遮断する。   The switch unit 43 is connected between the switching unit 10 and the receiving unit 6 and includes, for example, a switch control unit 40 and a switch 41. The switch unit 43 receives a signal from the delay unit 39 and electrically disconnects the switching unit 10 and the receiving unit 6 for a predetermined period.

したがって、第1の超音波振動子1から第2の超音波振動子2に向かって超音波を送信し、流体中を伝播する超音波の伝播時間を求める場合には、切り替え部10は、送信用超音波振動子である第1の超音波振動子1と第1の駆動信号生成部57とを低インピーダンスで電気的に接続する。また、受信用超音波振動子である第2の超音波振動子2と第2の駆動信号生成部38およびスイッチ部41とを低インピーダンスで電気的に接続する。   Therefore, when the ultrasonic wave is transmitted from the first ultrasonic transducer 1 to the second ultrasonic transducer 2 and the propagation time of the ultrasonic wave propagating in the fluid is obtained, the switching unit 10 transmits the ultrasonic wave. The first ultrasonic transducer 1 that is a trusted ultrasonic transducer and the first drive signal generator 57 are electrically connected with low impedance. In addition, the second ultrasonic transducer 2, which is a receiving ultrasonic transducer, and the second drive signal generation unit 38 and the switch unit 41 are electrically connected with low impedance.

なお、第1の駆動信号生成部57および第2の駆動信号生成部38から出力される信号は、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子をそれぞれ駆動するための適切な振幅を備えるよう増幅されている。第2の駆動信号生成部38から出力される第2の駆動信号は、受信用超音波振動子を共振振動させる程度の振幅を備えておればよく、流体中を伝播してくる超音波を受信する際に悪影響を与えないよう、第1の駆動信号の振幅に比べて、十分小さくなっている。   The signals output from the first drive signal generation unit 57 and the second drive signal generation unit 38 have appropriate amplitudes for driving the transmission ultrasonic transducer and the reception ultrasonic transducer, respectively. It is so amplified. The second drive signal output from the second drive signal generation unit 38 only needs to have an amplitude enough to cause the receiving ultrasonic transducer to resonate and receive ultrasonic waves propagating in the fluid. The amplitude is sufficiently smaller than the amplitude of the first drive signal so as not to adversely affect the operation.

図10を参照して超音波流量計102の動作を説明する。図10は、第1の駆動信号生成部57および第2の駆動信号生成部38の出力信号と送信用超音波振動子および受信用超音波振動子の振動振幅とを時間軸をそろえて示している。   The operation of the ultrasonic flowmeter 102 will be described with reference to FIG. FIG. 10 shows the output signals of the first drive signal generation unit 57 and the second drive signal generation unit 38 and the vibration amplitudes of the transmission ultrasonic transducer and the reception ultrasonic transducer along the time axis. Yes.

図に示すように、第1の駆動信号生成部57から第1の駆動信号61が時刻t1で出力されると、第1の駆動信号61により、ほぼ同時刻において送信用超音波振動子が波形61aで振動し始める。また、同時に、切り替え部10における容量結合によって、第1の駆動信号が受信用超音波振動子にも出力される。このため、波形61bで受信用超音波振動子が振動し始める。第1の駆動信号61の出力が終了すると、受信用超音波振動子は波形63で振動を続ける。   As shown in the figure, when the first drive signal 61 is output from the first drive signal generator 57 at time t1, the transmission ultrasonic transducer has a waveform at substantially the same time by the first drive signal 61. It begins to vibrate at 61a. At the same time, the first drive signal is also output to the reception ultrasonic transducer by capacitive coupling in the switching unit 10. Therefore, the receiving ultrasonic transducer starts to vibrate with the waveform 61b. When the output of the first drive signal 61 ends, the receiving ultrasonic transducer continues to vibrate with the waveform 63.

時刻t2で第2の駆動信号生成部38から第2の駆動信号62が出力されると、切り替え部10によって受信用超音波振動子である第2の超音波振動子2と第2の駆動信号生成部38とが低インピーダンスで接続されているため、受信用超音波振動子は、第2の駆動信号を受け取って、波形62a’で振動し始める。その後第2の駆動信号62の出力が終了すると、送信用超音波振動子および受信用超音波振動子の振動は減衰し、同様に、受信用超音波振動子は波形64’で示す共振周波数で振動を続ける。波形64’で示す共振振動の位相は、で第2の駆動信号62の出力時刻t2で決定している。   When the second drive signal 62 is output from the second drive signal generation unit 38 at time t2, the switching unit 10 causes the second ultrasonic transducer 2 that is a reception ultrasonic transducer and the second drive signal to be output. Since the generator 38 is connected with a low impedance, the receiving ultrasonic transducer receives the second drive signal and starts to vibrate with the waveform 62a ′. Thereafter, when the output of the second drive signal 62 is completed, the vibrations of the transmission ultrasonic transducer and the reception ultrasonic transducer are attenuated. Similarly, the reception ultrasonic transducer is at the resonance frequency indicated by the waveform 64 ′. Continue to vibrate. The phase of the resonance vibration indicated by the waveform 64 ′ is determined at the output time t 2 of the second drive signal 62.

このとき、切り替え部10と受信部6とはスイッチ部43により、電気的に遮断されている。このため、第2の駆動信号が受信部6へ出力されることはなく、第2の駆動信号を検知することはない。   At this time, the switching unit 10 and the receiving unit 6 are electrically disconnected by the switch unit 43. For this reason, the second drive signal is not output to the receiving unit 6, and the second drive signal is not detected.

その後、送信用超音波振動子から第1の駆動信号61による超音波が流体中を伝播し、受信用超音波振動子に到達する。このとき、波形64で示す共振周波数で振動している受信用超音波振動子は、受け取った超音波によって、波形61cで示すように振動する。つまり、共振振動に受信による振動が重畳される。第1の実施形態で説明したように、流体中を伝播してきた超音波によって受信用超音波振動子が振動始める時刻は時刻t1から時間t3を経過後であり、この時間は超音波が流体中を伝播する伝播時間に等しい。この時間は一定である。一方、受信用超音波振動子が波形64で示される共振振動を行う場合の位相は第2の駆動信号が生成されるタイミングで決定する。このため、第1実施形態と同様に、共振振動の波形64’の位相を変化させながらシングアラウンドにより繰り返して計測を行うことにより、共振振動による影響をキャンセルさせることができる。   Thereafter, the ultrasonic wave generated by the first drive signal 61 propagates through the fluid from the transmitting ultrasonic transducer and reaches the receiving ultrasonic transducer. At this time, the receiving ultrasonic transducer vibrating at the resonance frequency indicated by the waveform 64 vibrates as indicated by the waveform 61c by the received ultrasonic wave. That is, the vibration due to reception is superimposed on the resonance vibration. As described in the first embodiment, the time when the receiving ultrasonic transducer starts to vibrate by the ultrasonic wave propagating in the fluid is after the time t3 from the time t1, and this time is the time when the ultrasonic wave is in the fluid. Is equal to the propagation time to propagate. This time is constant. On the other hand, the phase in the case where the receiving ultrasonic transducer performs the resonance vibration indicated by the waveform 64 is determined at the timing when the second drive signal is generated. For this reason, similarly to the first embodiment, by repeatedly performing measurement by sing around while changing the phase of the resonance vibration waveform 64 ′, it is possible to cancel the influence of the resonance vibration.

本実施形態によれば、受信用超音波振動子を漏洩信号としてではなく、直接駆動する。このため、受信用超音波振動子を駆動する信号を制御しやすく、受信用超音波振動子の共振振動をより精確に制御することが可能となり、共振振動による影響を低減することができる。   According to this embodiment, the receiving ultrasonic transducer is driven directly instead of as a leakage signal. For this reason, it is easy to control the signal for driving the reception ultrasonic transducer, the resonance vibration of the reception ultrasonic transducer can be controlled more accurately, and the influence of the resonance vibration can be reduced.

(第3の実施形態)
以下、本発明の超音波流量計を備えたガスメータを説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, the gas meter provided with the ultrasonic flowmeter of the present invention will be described.

図11は、配管70内を流れるガスの流量を計測するためのガスメータ103のブロック図を示している。配管70内を流れるガスは、天然ガスやプロパンガスなど一般家庭で用いられるもののほか、水素や酸素等、その他の気体であってもよい。   FIG. 11 shows a block diagram of the gas meter 103 for measuring the flow rate of the gas flowing in the pipe 70. The gas flowing in the pipe 70 may be other gases such as hydrogen and oxygen, in addition to those used in general households such as natural gas and propane gas.

ガスメータ103は、配管70内を流れるガスの流量を計測するための超音波流量計71と、緊急時に配管70を流れるガスを遮断する遮断弁72と、超音波流量計71および遮断弁72を制御するマイコンなどの信号処理装置73と、超音波流量計71を用いて計測した流量や流量の積算値およびその他の情報を表示する表示部74とを備える。   The gas meter 103 controls the ultrasonic flow meter 71 for measuring the flow rate of the gas flowing in the pipe 70, the cutoff valve 72 for shutting off the gas flowing in the pipe 70 in an emergency, the ultrasonic flow meter 71 and the cutoff valve 72. A signal processing device 73 such as a microcomputer, and a display unit 74 that displays a flow rate measured by using an ultrasonic flowmeter 71, an integrated value of the flow rate, and other information.

本実施形態の超音波流量計71には、第1または第2の実施形態の超音波流量計を用いる。   As the ultrasonic flow meter 71 of the present embodiment, the ultrasonic flow meter of the first or second embodiment is used.

超音波流量計71によって計測される流量に関するデータは、信号処理装置73で処理されて表示部74に表示される。また、信号処理装置73は、計測する流量に異常がないかを監視する。例えば、突然、大流量のガスが流れ始めた場合や、低流量のガスが長時間流れている場合には、ガス漏れが生じていると判断して、遮断弁72を動作させ、ガスの供給を停止する。   Data relating to the flow rate measured by the ultrasonic flowmeter 71 is processed by the signal processing device 73 and displayed on the display unit 74. Further, the signal processing device 73 monitors whether there is an abnormality in the flow rate to be measured. For example, when a large flow of gas suddenly begins to flow or when a low flow of gas flows for a long time, it is determined that a gas leak has occurred, and the shutoff valve 72 is operated to supply the gas. To stop.

ガスメータ103は、計測される流量に関するデータやガス漏れに関する情報をガス会社などへ送信し、また、ガス会社から保守のために信号処理装置73を遠隔操作するための通信部75を備えていてもよい。あるいは、ホームセキュリティーシステム等と通信を行うための他のインターフェースを備えていてもよい。   The gas meter 103 transmits data relating to the measured flow rate and information relating to gas leakage to a gas company or the like, and includes a communication unit 75 for remotely operating the signal processing device 73 for maintenance from the gas company. Good. Alternatively, another interface for communicating with a home security system or the like may be provided.

本実施形態のガスメータによれば、特に、ガスの流速が小さい場合であっても、正確に流量を計測することができる。このため、少量のガス漏れが生じている場合でも正しく、流量を検知して、ガス漏れの警告を行うことができる。   According to the gas meter of the present embodiment, it is possible to accurately measure the flow rate even when the gas flow rate is small. For this reason, even when a small amount of gas leakage occurs, it is possible to correctly detect the flow rate and issue a gas leakage warning.

本発明は、天然ガスやプロパンガスなどをはじめ種々のガスの流量を計測するための流量計やガスメータに用いることができる。特に、流速が小さいガスの流速あるいは流量を精確に計測することが可能であり、流速変化の大きい流体の計測にも用いることができる。   The present invention can be used for a flow meter and a gas meter for measuring the flow rates of various gases including natural gas and propane gas. In particular, it is possible to accurately measure the flow rate or flow rate of a gas with a low flow rate, and it can also be used to measure a fluid with a large flow rate change.

本発明の超音波流量計の第1の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 1st Embodiment of the ultrasonic flowmeter of this invention. 図1に示す超音波流量計の受信用超音波振動子の振動状態を説明する図である。It is a figure explaining the vibration state of the ultrasonic transducer for reception of the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 送信部から出力される駆動信号のタイミングを説明する図である。It is a figure explaining the timing of the drive signal output from a transmission part. 切り替え部において漏洩し、受信用超音波振動子に入力される駆動信号のタイミングを示す図である。It is a figure which shows the timing of the drive signal which leaks in a switching part and is input into the ultrasonic transducer | vibrator for reception. 受信用超音波振動子の振動状態の時間変化を示す図である。It is a figure which shows the time change of the vibration state of the ultrasonic transducer | vibrator for reception. 受信用超音波振動子の振動状態の時間変化を示す他の図である。It is another figure which shows the time change of the vibration state of the ultrasonic transducer | vibrator for reception. (a)および(b)は、位相の異なる信号を重ね合わせることによって信号が減衰することを示すグラフである。(A) And (b) is a graph which shows that a signal attenuate | damps by superimposing the signal from which a phase differs. シングアラウンド法による計測を説明する図である。It is a figure explaining the measurement by a sing-around method. 本発明の超音波流量計の第2の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of the ultrasonic flowmeter of this invention. 図9に示す超音波流量計の受信用超音波振動子の振動状態を説明する図である。It is a figure explaining the vibration state of the ultrasonic transducer for reception of the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 本発明によるガスメータの構造を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the gas meter by this invention. 従来の超音波流量計を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the conventional ultrasonic flowmeter. 図12に示す超音波流量計が設置された流路の断面を示す図である。It is a figure which shows the cross section of the flow path in which the ultrasonic flowmeter shown in FIG. 12 was installed. ゼロクロス検知を説明する図である。It is a figure explaining zero cross detection. 駆動信号の受信用超音波振動子への漏洩を説明する図である。It is a figure explaining the leak to the ultrasonic transducer for reception of a drive signal. 送信用および受信用超音波振動子の振動状態を示す図である。It is a figure which shows the vibration state of the ultrasonic transducer for transmission and reception. 受信用超音波振動子の共振振動により、受信信号の検知に誤差が生じることを説明する図である。It is a figure explaining that an error arises in detection of a received signal by resonance vibration of an ultrasonic transducer for reception.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1の超音波振動子
2 第2の超音波振動子
3 送信部
4、22、39 遅延部
5 レベル検知部
6 受信部
7 ゼロクロス検知部
8 繰り返し部
9 計時部
10 切り替え部
11 流量算出部
12 流路
13 ピークホールド部
20 第1の波形生成部
21 第2の波形生成部
38 第2の駆動信号生成部
51、56 送信部
52 増幅部
53 検知部
54 制御部
55 演算部
57 第1の駆動信号生成部
43 スイッチ部
71、101、102 超音波流量計
72 遮断弁
73 信号処理装置
74 表示部
103 ガスメータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st ultrasonic transducer 2 2nd ultrasonic transducer 3 Transmission part 4, 22, 39 Delay part 5 Level detection part 6 Reception part 7 Zero cross detection part 8 Repetition part 9 Time measurement part 10 Switching part 11 Flow volume calculation part 12 channel 13 peak hold unit 20 first waveform generation unit 21 second waveform generation unit 38 second drive signal generation unit 51, 56 transmission unit 52 amplification unit 53 detection unit 54 control unit 55 calculation unit 57 first Drive signal generation unit 43 Switch unit 71, 101, 102 Ultrasonic flow meter 72 Shut-off valve 73 Signal processing device 74 Display unit 103 Gas meter

Claims (27)

超音波の送受信を行い、前記超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体が流路を移動する流量を計測する超音波流量計であって、
それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子と、
前記一対の超音波振動子のうち前記送信器として機能している送信用超音波振動子を駆動する送信部と、
前記一対の超音波振動子のうち前記受信器として機能している受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部と、
を備え、
前記送信部は、流量を計測するために前記送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで前記受信用超音波振動子を駆動する、超音波流量計。
An ultrasonic flowmeter that performs transmission and reception of ultrasonic waves and measures a flow rate at which a fluid moves through a flow path based on a two-way propagation time difference of the ultrasonic waves,
A pair of ultrasonic transducers each functioning as an ultrasonic transmitter and receiver and arranged to form a propagation path of the ultrasonic wave in a fluid flow path;
A transmitting unit that drives a transmitting ultrasonic transducer functioning as the transmitter of the pair of ultrasonic transducers;
A receiving unit that adjusts the amplitude of the received signal by the ultrasonic wave received by the receiving ultrasonic vibrator functioning as the receiver among the pair of ultrasonic vibrators;
With
The ultrasonic flowmeter, wherein the transmission unit drives the reception ultrasonic transducer at a timing different from a timing at which the transmission ultrasonic transducer is driven in order to measure a flow rate.
前記送信部は、前記受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減するように前記受信用超音波振動子を駆動する、請求項1に記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the transmission unit drives the ultrasonic transducer for reception so as to reduce an influence due to resonance vibration of the ultrasonic transducer for reception. 前記受信用超音波振動子を駆動するタイミングを異ならせて、複数回超音波を送信することにより、一方向の超音波の伝播時間を求める請求項2に記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 2, wherein the propagation time of the ultrasonic wave in one direction is obtained by transmitting the ultrasonic wave a plurality of times at different timings for driving the ultrasonic transducer for reception. それぞれが超音波の送信器および受信器として機能し、流体の流路中に前記超音波の伝播経路を形成するように配置される一対の超音波振動子と、
前記一対の超音波振動子のうち前記送信器として機能している送信用超音波振動子を第1のタイミングで駆動する第1の駆動信号および前記一対の超音波振動子のうち前記受信器として機能している受信用超音波振動子を第2のタイミングで駆動する第2の駆動信号を出力する送信部と、
前記受信用超音波振動子により受信した超音波による受信信号の振幅を調節する受信部と、
前記一対の超音波振動子間で双方向に超音波が送受信されるよう、前記一対の超音波振動子の一方に前記送信部を接続し、前記一対の超音波振動子の他方に前記受信部を接続する切り替え部と、
前記受信信号を検知する検知部と、
を備え、前記受信信号の検知に基づき、前記超音波が伝播経路を伝播する伝播時間を求め、双方向における前記伝播時間差から前記流体の流量を求める超音波流量計。
A pair of ultrasonic transducers each functioning as an ultrasonic transmitter and receiver and arranged to form a propagation path of the ultrasonic wave in a fluid flow path;
Of the pair of ultrasonic transducers, a first drive signal for driving a transmission ultrasonic transducer functioning as the transmitter at a first timing and the receiver of the pair of ultrasonic transducers. A transmitter for outputting a second drive signal for driving the functioning ultrasonic transducer for reception at a second timing;
A receiver that adjusts the amplitude of the received signal by the ultrasonic wave received by the receiving ultrasonic transducer;
The transmitting unit is connected to one of the pair of ultrasonic transducers and the receiving unit is connected to the other of the pair of ultrasonic transducers so that ultrasonic waves can be transmitted and received bidirectionally between the pair of ultrasonic transducers. A switching unit for connecting
A detection unit for detecting the received signal;
An ultrasonic flowmeter that obtains the flow rate of the fluid from the propagation time difference in both directions by obtaining a propagation time during which the ultrasonic wave propagates through a propagation path based on detection of the received signal.
シングアラウンド法により前記超音波の送受信を繰り返すことによって前記流体の流量を計測するために、前記検知部から受信信号を検知したことを示す検知信号を受け取り、所定の時間経過後に前記送信部へ次の第1および第2の駆動信号を出力するためのトリガ信号を出力する制御部をさらに有する請求項4に記載の超音波流量計。   In order to measure the flow rate of the fluid by repeating transmission and reception of the ultrasonic wave by a sing-around method, a detection signal indicating that a reception signal has been detected is received from the detection unit, and after a predetermined time has passed, The ultrasonic flowmeter according to claim 4, further comprising a controller that outputs a trigger signal for outputting the first and second drive signals. 前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて、前記第1のタイミングは一定であり、前記第2のタイミングは変化している請求項5に記載の超音波流量計   The ultrasonic flowmeter according to claim 5, wherein the first timing is constant and the second timing is changed in repetition by the sing-around method. 前記第2のタイミングは、前記超音波振動子の共振周波数に基づいて定められている請求項4に記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 4, wherein the second timing is determined based on a resonance frequency of the ultrasonic transducer. 前記第2のタイミングは前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化している請求項7に記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 7, wherein the second timing changes periodically in repetition by the sing-around method. 前記シングアラウンド法による繰り返し回数は、前記第2のタイミングの周期的な変化が生じる回数の整数倍になっている請求項8に記載の超音波流量計。   The ultrasonic flowmeter according to claim 8, wherein the number of repetitions by the sing-around method is an integral multiple of the number of times the periodic change of the second timing occurs. 前記第1の駆動信号によって送信された超音波を前記受信用超音波振動子が受信する前に前記第2の駆動信号が出力されるよう、前記第2のタイミングが定められている請求項9に記載の超音波流量計。   The second timing is determined so that the second drive signal is output before the reception ultrasonic transducer receives the ultrasonic wave transmitted by the first drive signal. The ultrasonic flowmeter described in 1. 前記受信用超音波振動子の送信部による駆動は、前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との高インピーダンス接続によって、前記前記第2の駆動信号が前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力されることにより行われる請求項1から10のいずれかに記載の超音波流量計。   The driving of the reception ultrasonic transducer by the transmission unit is such that the second drive signal is received from the transmission unit by the high impedance connection between the reception ultrasonic transducer and the transmission unit in the switching unit. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the ultrasonic flowmeter is output by being output to an ultrasonic transducer for use. 前記送信部は、前記トリガ信号を受け取って前記第1の駆動信号を生成する第1の波形生成部と、前記トリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する遅延部と、前記遅延部から前記信号を受け取って、前記第2の駆動信号を生成する第2の波形生成部と、前記前記第1の駆動信号および前記第2の駆動信号を増幅する信号増幅部とを含む請求項11に記載の超音波流量計。   The transmission unit receives the trigger signal and generates the first drive signal, a first waveform generation unit, a delay unit that receives the trigger signal and outputs a signal after a predetermined time, and the delay A second waveform generation unit that receives the signal from a unit and generates the second drive signal, and a signal amplification unit that amplifies the first drive signal and the second drive signal. 11. The ultrasonic flowmeter according to 11. 前記受信用超音波振動子の送信部による駆動は、前記切り替え部における前記受信器用超音波振動子と前記送信部との低インピーダンス接続によって、前記前記第2の駆動信号が前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力されることにより行われる請求項1から10のいずれかに記載の超音波流量計。   The driving of the reception ultrasonic transducer by the transmission unit is such that the second driving signal is received from the transmission unit by the low impedance connection between the receiver ultrasonic transducer and the transmission unit in the switching unit. The ultrasonic flowmeter according to claim 1, wherein the ultrasonic flowmeter is output by being output to an ultrasonic transducer for use. 前記送信部は、
前記制御部と前記切り替え部との間に挿入され、前記トリガ信号を受け取って前記第1の駆動信号を生成する第1の駆動信号生成部と、
前記トリガ信号を受け取って、所定の時間経過後に信号を出力する遅延部と、
前記遅延部から前記信号を受け取って前記第2の駆動信号を生成し、前記第2の駆動信号を前記切り替え部へ出力する第2の駆動信号生成部と、
前記第2の駆動信号生成部から第2の駆動信号が生成されている間、前記切り替え部と前記受信部との間の電気的接続を遮断するスイッチ部と、
を含む請求項13に記載の超音波流量計。
The transmitter is
A first drive signal generation unit that is inserted between the control unit and the switching unit, receives the trigger signal, and generates the first drive signal;
A delay unit that receives the trigger signal and outputs the signal after a predetermined time;
Receiving the signal from the delay unit, generating the second drive signal, and outputting the second drive signal to the switching unit;
A switch unit that cuts off an electrical connection between the switching unit and the receiving unit while the second drive signal is generated from the second drive signal generation unit;
The ultrasonic flow meter according to claim 13.
請求項1から14のいずれかに規定される超音波流量計を備えたガスメータ。   A gas meter comprising the ultrasonic flowmeter defined in any one of claims 1 to 14. 流体の流路中に超音波の伝播経路が形成されるよう、それぞれが超音波の送信器および受信器として機能する一対の超音波振動子を配置し、前記伝播経路を伝播する超音波の双方向の伝播時間差に基づいて流体の流量を計測する、超音波による流量計測方法であって、
受信器として機能する受信用超音波振動子を前記送信器として用いる送信用超音波振動子を駆動するタイミングとは異なるタイミングで駆動する流量計測方法。
A pair of ultrasonic transducers each functioning as an ultrasonic transmitter and receiver are arranged so that an ultrasonic propagation path is formed in the fluid flow path, and both of the ultrasonic waves propagating through the propagation path are arranged. An ultrasonic flow measurement method that measures the flow rate of a fluid based on a propagation time difference in a direction,
A flow rate measurement method for driving at a timing different from a timing for driving a transmitting ultrasonic transducer using a receiving ultrasonic transducer functioning as a receiver as the transmitter.
前記受信用超音波振動子の共振振動による影響を低減するように前記受信用超音波振動子を駆動する、請求項16に記載の流量計測方法。   The flow rate measurement method according to claim 16, wherein the reception ultrasonic transducer is driven so as to reduce an influence of resonance vibration of the reception ultrasonic transducer. 前記受信用超音波振動子を駆動するタイミングを異ならせて、複数回超音波を送信することにより、一方向の超音波の伝播時間を求める請求項17に記載の流量計測方法。   The flow rate measurement method according to claim 17, wherein the propagation time of the ultrasonic wave in one direction is obtained by transmitting the ultrasonic wave a plurality of times at different timings for driving the reception ultrasonic transducer. シングアラウンド法により、前記超音波の送受信を複数繰り返し、繰り返しに要した合計の時間から前記超音波の伝播時間を求める請求項18に記載の流量計測方法。   The flow rate measurement method according to claim 18, wherein the ultrasonic wave propagation time is obtained from a total time required for repeating the ultrasonic wave transmission / reception a plurality of times by a sing-around method. 前記送信用超音波振動子を第1のタイミングで駆動する第1の駆動信号および前記受信用超音波振動子を第2のタイミングで駆動する第2の駆動信号を出力するステップを包含し、
前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて、前記第1のタイミングを一定にし、前記第2のタイミングを変化させる請求項19に記載の流量計測方法。
Outputting a first drive signal for driving the ultrasonic transducer for transmission at a first timing and a second drive signal for driving the ultrasonic transducer for reception at a second timing;
The flow rate measurement method according to claim 19, wherein the first timing is made constant and the second timing is changed in repetition by the sing-around method.
前記第2のタイミングは、前記超音波振動子の共振周波数に基づいて定められている請求項20に記載の流量計測方法。   The flow rate measurement method according to claim 20, wherein the second timing is determined based on a resonance frequency of the ultrasonic transducer. 前記第2のタイミングを前記シングアラウンド法による繰り返しにおいて周期的に変化させる請求項21に記載の流量計測方法。   The flow rate measuring method according to claim 21, wherein the second timing is periodically changed in repetition by the sing-around method. 前記シングアラウンド法による繰り返し回数は、前記第2のタイミングの周期的な変化が生じる回数の整数倍に設定する請求項22に記載の流量計測方法。   23. The flow rate measurement method according to claim 22, wherein the number of repetitions by the sing-around method is set to an integer multiple of the number of times the periodic change of the second timing occurs. 前記第1の信号によって送信された超音波を前記受信用超音波振動子が受信する前に前記第2の信号が出力されるよう、前記第2のタイミングを定める請求項23に記載の流量計測方法。   The flow rate measurement according to claim 23, wherein the second timing is determined so that the second signal is output before the reception ultrasonic transducer receives the ultrasonic wave transmitted by the first signal. Method. 前記受信用超音波振動子は、前記一対の超音波振動子と、前記第1および第2の駆動信号を生成する送信部および前記受信用超音波振動子により受信した受信信号の振幅を調節する受信部とを選択的に接続するための切り替え部を備え、
前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との高インピーダンス接続によって、前記前記第2の信号を前記送信部から前記受信用超音波振動子へ出力させる請求項16から24のいずれかに記載の流量計測方法。
The reception ultrasonic transducer adjusts the amplitude of a reception signal received by the pair of ultrasonic transducers, a transmission unit that generates the first and second drive signals, and the reception ultrasonic transducer. A switching unit for selectively connecting the receiving unit,
25. Any one of claims 16 to 24, wherein the second signal is output from the transmission unit to the reception ultrasonic transducer by a high impedance connection between the reception ultrasonic transducer and the transmission unit in the switching unit. The flow measurement method according to Crab.
前記受信用超音波振動子は、前記一対の超音波振動子と、前記第1および第2の駆動信号を生成する送信部および前記受信用超音波振動子により受信した受信信号の振幅を調節する受信部とを選択的に接続するための切り替え部を備え、
前記切り替え部における前記受信用超音波振動子と前記送信部との低インピーダンス接続によって、前記前記第2の信号を前記送信部から前記受信器用超音波振動子へ出力させる請求項16から24のいずれかに記載の流量計測方法。
The reception ultrasonic transducer adjusts the amplitude of a reception signal received by the pair of ultrasonic transducers, a transmission unit that generates the first and second drive signals, and the reception ultrasonic transducer. A switching unit for selectively connecting the receiving unit,
25. Any one of claims 16 to 24, wherein the second signal is output from the transmission unit to the ultrasonic transducer for receiver by a low impedance connection between the reception ultrasonic transducer and the transmission unit in the switching unit. The flow measurement method according to Crab.
請求項16から26のいずれかに規定される流量計測方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。   A computer-readable recording medium on which a program for causing a computer to execute the flow rate measuring method defined in any one of claims 16 to 26 is recorded.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117029975A (en) * 2023-10-09 2023-11-10 成都千嘉科技股份有限公司 Multi-environment self-adaption method of ultrasonic gas meter

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